Radioatividade, uma introdução.

Para você pular de cabeça no estudo da radioatividade, seria razoável estar por dentro do modelo atômico de Rutherford (link). Uma vez que este tópico tratará de fenômenos envolvendo os núcleos dos átomos, nada mais justo envolvermos o primeiro modelo a inserir o núcleo no átomo.

Fenômeno reconhecido no final do século XIX e de consequências para a saúde de quem se expõe a ela pouco compreendidas até os anos 50 do século XX. São compreendidos no estudo da radioatividade as partículas emitidas em decaimento de núcleo radioativo, a cinética deste processo e as reações entre núcleos, estáveis ou não.

As reações nucleares envolvem os núcleos dos átomos, por mais óbvio ou besta que pareça esta afirmação. Reações químicas como a combustão de um pedaço de papel, envolvem suas eletrosferas.

Sempre associada à imagem abaixo, a radioatividade, obviamente, possui seus perigos, mas se gerida com cuidado também tem seus benefícios.

Nesta introdução eu abordarei as partículas emitidas por um núcleo radioativo, instável, portanto. Parte das causas de tais emissões e a forma como as traduzimos em equações também serão lembradas.

E comecemos com a pergunta: o que leva um núcleo radioativo a emitir partículas?

O Núcleo do Átomo

Sabendo que o núcleo atômico é constituído de prótons e nêutrons, que os prótons são carregados positivamente e que os nêutrons não apresentam cargas elétricas, é estranho pensar que qualquer núcleo seja estável. E este é o ponto mais importante até aqui. Trata-se de desconstruirmos a ideia de que as partículas subatômicas sejam esferas maciças e indivisíveis, como o próprio Dalton pensou a respeito do átomo.

Na verdade eles são constituídos de quarks e unidos por glúons. Duas partículas de um zoológico chamado modelo padrão, teoria usada atualmente para explicar a matéria como a conhecemos. Para todos os efeitos, nos interessam dois tipos específicos de quarks e as proporções nas quais eles constituem os prótons e os nêutrons.

Entre os quarks possíveis, existe um que possui a terça parte da carga de um elétron (negativo e azul na imagem acima) e outro que possui dois terços da carga de um próton (positivo e vermelho). Quando combinados em proporções de dois para um (2:1), resultam ou no próton (dois vermelhos para um azul) ou no nêutron (dois azuis para um vermelho).

A presença desses quarks explica a estabilidade de muitos núcleos atômicos. Sabemos que existem cargas positivas e negativas distribuídas de tal maneira que as negativas são minoria. Por isso dizemos que a função do nêutron é diminuir a repulsão entre os prótons.

Um é pouco, dois é bom, mas três é demais

Muito provavelmente você já ouviu a expressão acima. Parecido com ela funcionam os nêutrons dentro do núcleo. Em pequena quantidade não impedem a repulsão entre as cargas positivas, na proporção adequada conferem estabilidade, mas além da conta, também deixam o núcleo instável. O gráfico abaixo nos mostra isto.

Para os elementos com número atômico inferior a 20, a estabilidade se dá com algo de torno de um nêutron para cada próton. À medida que o número atômico cresce, cada vez mais nêutrons são necessários para estabilizar o núcleo. A ponto de um núcleo com 60 prótons precisar de 90 nêutrons para permanecer na região de estabilidade. Mais que 100 comprometeria e menos de 80 também.

Para os elementos de número atômico maior que 83 não há quantia de nêutrons que ajude, todos os isótopos deles são instáveis, ou seja, radioativos. Consequentemente eles emites partículas radioativas.

Partículas Radioativas

As principais emissões radioativas são chamadas de alfa (𝛂), beta (𝛃) e gama (𝛄). Apresentam grandes distinções em termos de carga e massa. A imagem abaixo mostra como elas se comportam ao atravessar um campo elétricos, ou seja, quais são suas cargas.

Percebemos que:

1) a alfa (𝛂) é positiva e massiva, nota-se pelo desvio para a esquerda ser pequeno.

2) a beta (𝛃) é negativa e de massa pequena comparada à partícula alfa, nota-se pelo acentuado desvio para a direita.

3) gama (𝛄) não possui carga e nem massa, pois não desvia.

Como saber a massa pelo desvio? A força de natureza elétrica aplicada às partículas é a mesma e perpendicular (horizontal) à trajetória (vertical) delas quando saem do bloco de chumbo. Quanto maior a massa da partícula, menor a aceleração, menos acentuada a curva da nova trajetória.

Partículas alfa (𝛂)

São constituídas de dois prótons e dois nêutrons, ou seja, o núcleo de um átomo de hélio 4. Quando emitidas, o núcleo perde duas unidades de número atômico e quatro de massa.

Apresentam baixa velocidade (5% a 10% da velocidade da luz no vácuo). Possuem baixo poder de penetração, uma camada de ar com 7 centímetros de espessura, uma folha de papel ou de alumínio são suficientes para freá-las. Podem causar queimaduras superficiais na pele.

Partículas beta (𝛃)

São equivalentes a um elétron, possuem massa e cargas idênticas a eles. Mas não são tratadas como elétrons pelo fato de saírem do núcleo a uma velocidade muito maior que a de um elétron "comum" na eletrosfera. Por isto conseguem escapar da eletrosfera e do átomo, por consequência. Quando emitidas, o número atômico aumenta em uma unidade, pelo fato de um nêutron se transformar em próton, mas a massa não se altera de forma relevante.

Sua velocidade média fica em torno de 90% da velocidade da luz no vácuo. Seu poder de penetração é cerca de duzentas vezes maior que o das partículas alfa, mas chapas de chumbo com 2 milímetros de espessura as detém. Atravessam até 2 centímetros de tecido humano, podendo causar queimaduras mais profundas.

Partículas gama (𝛄)

São apenas radiação eletromagnética (luz) de alta energia. Quando emitidas não há alteração de número atômico ou de massa. Possuem altíssimo poder de penetração, sendo necessários 5 centímetros de chumbo ou 20 centímetros de aço para bloqueá-las. São capazes de atravessar organismos macroscópicos, matar células e causar mutações de genes.

Em resumo:

Equações de Reações Nucleares

Como descrito acima, quando algumas partículas radioativas são emitidas, a massa e a quantidade de prótons do núcleo se alteram. Observamos isto em equação  comparando os números de massa e atômico de reagentes e produtos.

Na equação da esquerda, um átomo de carbono 14 emite uma partícula beta e se transforma em um átomo de nitrogênio 14. Observe que as somas de números atômicos (6 = 7 +(-1)) e de massa (14 = 14 + 0) se conservam entre reagentes e produtos.

Na equação da direita, um átomo (mais precisamente o núcleo) de európio 152 absorve um elétron e se transforma em samário 152.

Nesta equação, o núcleo de cloro 35 absorve um nêutron e se transforma em cloro 36. Este, por sua vez, emite uma partícula alfa e se transforma em fósforo 32. No os cálculos para se concluir de qual partícula se trata:

36 = 32 + A

A = 4

17 = 15 + Z

Z = 2

Com A = 4 e Z = 2, temos que a partícula alfa corresponde a Y indicado na equação.

Fissão Nuclear

Na fissão nuclear, um núcleo massivo, como o urânio 235 é atingido por um nêutron e se quebra. Uma vez partido, libera energia numa escala muito maior que qualquer reação química. Também são produzidos núcleos de bário 144 e criptônio 89 e outros três nêutrons. Esses nêutrons, se encontrarem condições favoráveis, atingirão três outros átomos de urânio, dando início a uma progressão geométrica de razão três. O que gera a expressão reação em cadeia.

Césio 144 e rubídio 90 ou estrôncio 90 e xenônio 142 também podem ser produzidos neste processo.

Apesar de não notarmos a diferença de massa pela equação, existe uma grande diferença de energia entre os núcleos envolvidos no processo, daí ele liberar tanta energia. A fissão nuclear não é observada na natureza, mas nós a realizamos em reatores nucleares, que convertem a energia do núcleo atômico em energia elétrica.

A barras de controle impedem as condições favoráveis para que a reação em cadeia aconteça e, assim, a energia seja liberada aos poucos, não de uma vez como em uma bomba.

Parte do reator de Angra 2.

Fusão Nuclear

A fusão nuclear ocorre quando dois núcleos de átomos pequenos se unem para formar um maior. Se o produto apresentar número atômico inferior a 26 (ferro), a reação liberará uma quantidade colossal de energia. Note que trítio e deutério são nomes que damos aos isótopos de hidrogênio 2 e hidrogênio 3, respectivamente.

A fusão nuclear ocorre no interior das estrelas, como o nosso sol. Sob temperaturas e pressões extraordinariamente elevada, que pode variar de dezenas a centenas de milhões de graus Celsius. O nosso sol é considerado uma anã amarela, por ser pequena comparada com as gigantes, e fria, por ter uma das mais baixas temperaturas para uma estrela.

Apesar de liberar muito mais energia que a fissão, a fusão nuclear é consideravelmente mais difícil de controlar. Os reatores de fusão ainda estão em estágio de testes e os primeiros bons resultados de suas performances estão surgindo (em março de 2022). Abaixo temos uma diagrama com a estrutura de um reator de fusão nuclear.

Muito bem, com isto encerramos a introdução à radioatividade, a continuação dela você encontra aqui. Ficou alguma dúvida? Deixe aí nos comentários... até a próxima.