Radioatividade
Radioatividade é a emissão espontânea de radiação por núcleos atômicos instáveis. A transformação ou perda de energia de um desses núcleos recebe o nome de decaimento radioativo, decaimento nuclear, desintegração radioativa ou desintegração nuclear. Um material que contém núcleos instáveis é chamado de radioativo. Entre as formas mais conhecidas de decaimento estão as emissões alfa, beta e gama.
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Radioatividade, decaimento, radiação e atividade
Quando um núcleo instável se transforma ou perde energia, ocorre um decaimento radioativo. A radioatividade é o fenômeno observado em uma população desses núcleos, a radiação é formada pelas partículas e pelos fótons emitidos, e a atividade mede o número esperado de transformações nucleares por unidade de tempo. Quando o decaimento muda o número de prótons ou nêutrons, ocorre uma transmutação nuclear. Processos que apenas retiram energia de um estado excitado, como a emissão gama ou a conversão interna, não mudam o elemento.[nota 3] A atividade informa quantos núcleos decaem em determinado intervalo, mas não diz sozinha quanta energia será absorvida por um corpo. Duas fontes com a mesma atividade podem emitir radiações com energias e poderes de penetração diferentes e, por isso, produzir doses e efeitos biológicos distintos.[nota 4]
Estabilidade nuclear e energia de decaimento
Para fins de classificação, costuma-se chamar de nuclídeo um estado nuclear com meia-vida superior a 2 × 10-14 s. Esse limite é convencional. Estados ainda mais breves são tratados como ressonâncias, por exemplo durante uma reação nuclear, porque sua duração é comparável à escala de tempo característica da força forte, responsável pela força nuclear.[nota 5] A radioatividade, nesse sentido, é atribuída aos estados que entram na classificação de nuclídeos. Nuclídeos podem ser estáveis ou instáveis, e os instáveis passam por um ou mais decaimentos até chegar a uma configuração estável. Conhecem-se 251 nuclídeos estáveis. Os dados nucleares avaliados abrangem propriedades de 3.340 nuclídeos em seus estados fundamentais e de 1.938 estados isoméricos com meia-vida de pelo menos 100 nanossegundos, além de separar núcleos ainda não observados cujas propriedades foram estimadas por extrapolação.[nota 6]
Decaimento espontâneo e reações induzidas
Depois que um radionuclídeo existe em determinado estado, ele pode decair sem precisar ser atingido, aquecido ou acionado por algo externo. É nesse sentido que o decaimento é chamado de espontâneo.[nota 10] Uma reação nuclear, em comparação, começa com a interação de outra partícula ou de outro núcleo. Reatores e aceleradores podem provocar essas reações para produzir radionuclídeos, que depois seguem seus próprios decaimentos espontâneos.
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Na emissão alfa, a força forte mantém os núcleons unidos e o tunelamento quântico permite que a partícula alfa atravesse a barreira eletromagnética.[nota 11] O decaimento beta ocorre pela interação fraca, enquanto as transições gama dependem do eletromagnetismo. Os três modos envolvem interações fundamentais diferentes.
Emissões alfa, beta e gama
Campos elétricos e campos magnéticos permitiram separar as primeiras emissões radioativas em três feixes. Ernest Rutherford deu a eles os nomes alfa, beta e gama, em ordem crescente de capacidade de atravessar a matéria. Entre os emissores alfa que decaem a partir do estado fundamental, os núcleos mais leves conhecidos ficam na região do telúrio, de número atômico 52. O 104Te tem meia-vida alfa medida de 7,2+2,3-1,5 nanossegundos, a menor medida para um emissor alfa no estado fundamental.[nota 12] O berílio-8 é muito mais leve, mas não forma um estado ligado e se separa quase imediatamente em duas partículas alfa. Raios gama saem de estados nucleares excitados, muitas vezes depois de um decaimento alfa ou beta. O decaimento beta ocorre em nuclídeos leves e pesados. O chumbo, de número atômico 82, é o elemento mais pesado com isótopos estáveis dentro dos limites de medição. A partir do bismuto, de número atômico 83, todos os elementos têm apenas isótopos radioativos. O bismuto-209 decai tão lentamente que sua meia-vida, cerca de 2,0 × 1019 anos, é aproximadamente nove ordens de grandeza maior que a idade do Universo. Radioisótopos com meias-vidas tão longas podem ser tratados como estáveis em muitas aplicações.[nota 13]
Captura eletrônica e processos beta duplos
Quando um nuclídeo tem prótons em excesso, ele pode capturar um dos elétrons do próprio átomo, processo que pode competir com a emissão de pósitrons. A captura transforma um próton em nêutron e libera um neutrino. O espaço deixado pelo elétron é então preenchido por outro elétron da eletrosfera, e a diferença de energia pode sair como raio X característico ou elétron Auger. Se o núcleo filho também ficar em um estado excitado, ele pode emitir radiação gama.[nota 17] A captura eletrônica e a emissão de pósitrons reduzem o número atômico em uma unidade e podem levar o núcleo a uma combinação de prótons e nêutrons energeticamente mais favorável.
Emissão de núcleons, fissão e decaimento cluster
Na emissão de nêutrons retardados pelo decaimento beta, o decaimento beta deixa o núcleo filho com energia suficiente para emitir um nêutron, que sai pela interação forte. Um exemplo é o 17O* produzido pelo decaimento beta do 17N.[nota 21] A emissão protônica isolada ocorre em alguns núcleos além da linha de gotejamento de prótons. Alguns núcleos pesados podem sofrer fissão nuclear espontânea e se dividir em fragmentos menores. No decaimento cluster, o núcleo emite espontaneamente um conjunto de prótons e nêutrons maior que uma partícula alfa.
Transição isomérica, conversão interna e outros modos raros
A conversão interna libera energia nuclear por um caminho diferente da emissão gama. Em vez de sair como fóton, a energia é transferida a um elétron que já fazia parte do átomo e que então é expulso. Raios X característicos e elétrons Auger podem aparecer depois, quando a eletrosfera se reorganiza. O processo não é um decaimento beta, não emite neutrino e não transforma o elemento em outro.[nota 22] Se a diferença entre dois estados nucleares for maior que 1,022 MeV,[nota 23][nota 24] a transição pode criar diretamente um par elétron-pósitron pela criação interna de pares. Esse caminho compete com a emissão gama e a conversão interna e pode ocorrer até em transições nas quais a emissão de um único fóton é proibida pelas regras de conservação.
Cadeias, ramificações e esquemas de decaimento
Quando o nuclídeo filho também é instável, ele pode decair e produzir outro núcleo que, por sua vez, também pode ser radioativo. Essa sequência forma uma cadeia de decaimento e termina quando aparece um nuclídeo estável.[nota 27] O decaimento alfa também produz átomos de hélio a partir das partículas alfa emitidas. No bismuto-212, uma cadeia de decaimento se divide em dois caminhos: 35,94(6)% dos núcleos decaem por emissão alfa em tálio-208, enquanto 64,06(6)% decaem por emissão beta em polônio-212.[nota 28] Os dois produtos são radioativos e terminam no chumbo-208 estável após o decaimento seguinte. Um esquema de decaimento coloca essas transformações em níveis de energia e usa setas para mostrar as transições. As legendas podem trazer a energia liberada, a intensidade da emissão e a probabilidade de cada ramificação.[nota 29]
Embora cada núcleo decaia de maneira aleatória, uma amostra com muitos núcleos segue um comportamento estatístico muito regular. A matemática do decaimento radioativo liga essas duas escalas: não permite dizer quando um núcleo específico irá decair, mas permite calcular como, em média, o número de núcleos ainda não decaídos e a atividade de uma grande amostra diminuem com o tempo.
Atividade, constante de decaimento e meia-vida
Para acompanhar essa diminuição, usam-se três parâmetros que expressam o mesmo comportamento de maneiras diferentes: Esses parâmetros descrevem médias estatísticas, e não uma contagem exata para qualquer amostra pequena. Quando há pouquíssimos átomos, as flutuações aleatórias ficam grandes em comparação com o valor médio, e uma previsão de curto prazo pode diferir bastante do que de fato se observa.[nota 34] A mesma queda exponencial poderia ser expressa por outros intervalos, como o tempo necessário para restar um terço da população ou 1 / 2 {\displaystyle 1/{\sqrt {2}}} dela. A vida média e a meia-vida são as convenções mais usadas porque permitem comparar radionuclídeos de forma simples.
Aleatoriedade e distribuição estatística
Para um radionuclídeo em um estado definido, a chance de decair durante um pequeno intervalo não aumenta só porque o núcleo já existe há muito tempo. Por isso se diz que o decaimento não tem "memória": se um núcleo ainda não decaiu, sua probabilidade de decair no próximo pequeno intervalo permanece a mesma.[nota 37] Essa probabilidade pode ser muito diferente de um tipo de núcleo para outro, mas permanece constante para um mesmo estado nuclear. Pela mecânica quântica, o processo é tratado como genuinamente aleatório, e não apenas como um sistema caótico no sentido da teoria do caos. Isso difere do comportamento de muitos objetos macroscópicos, cuja probabilidade de falha costuma crescer com o desgaste e o envelhecimento.
Relação com massa e quantidade de matéria
O número de núcleos radioativos N {\displaystyle N} pode ser convertido em atividade, quantidade de substância ou massa da amostra. A atividade é Nessas relações, N A {\displaystyle N_{A}} é a constante de Avogadro, M {\displaystyle M} é a massa molar em kg/mol e n {\displaystyle n} é a quantidade de matéria em mol.[nota 52] Aqui, N A {\displaystyle N_{A}} representa a constante de Avogadro, e não a notação N A {\displaystyle N_{A}} usada anteriormente para a população do nuclídeo chamado A {\displaystyle A} .
Constante de tempo, vida média e meia-vida
Para um único decaimento A → B {\displaystyle A\rightarrow B} , a mesma diminuição exponencial pode ser escrita usando a constante de decaimento λ {\displaystyle \lambda } ou a constante de tempo τ {\displaystyle \tau } : No decaimento radioativo, τ {\displaystyle \tau } é também a vida média dos núcleos.[nota 53] Se fosse possível acompanhar muitos núcleos iguais individualmente desde o início até o instante de cada decaimento, a média aritmética desses tempos tenderia a τ {\displaystyle \tau } . Depois de um intervalo igual a τ {\displaystyle \tau } , a população esperada cai para 1 / e {\displaystyle 1/e} da inicial, cerca de 36,8%.[nota 54]
Exemplo numérico: carbono-14
O carbono-14 tem meia-vida de 5.700 ± 30 anos.[nota 56] Neste exemplo didático, considera-se uma atividade inicial de 14 desintegrações por minuto, dpm, para cada grama de carbono.[nota 57] Se um artefato apresenta atividade de 4 dpm por grama de carbono, a razão entre a atividade atual e a inicial é a mesma razão entre o número atual e o número inicial de núcleos de carbono-14, pois A = λ N {\displaystyle A=\lambda N} para o mesmo radionuclídeo. Partindo de
Constância e perturbações das taxas
A maioria dos modos de decaimento praticamente não muda sob condições químicas comuns, mas captura eletrônica e conversão interna dependem da distribuição dos elétrons do próprio átomo. Alterações químicas podem mudar levemente a presença de elétrons nos orbitais 1s e 2s próximos ao núcleo e, com isso, alterar a taxa desses processos em alguns nuclídeos.[nota 58] Em geral, o efeito das ligações químicas sobre a captura eletrônica fica abaixo de 1%. No 7Be, por exemplo, foi medida uma diferença de 0,9% entre as meias-vidas em ambientes metálicos e isolantes. O berílio é um átomo pequeno, e seus elétrons de valência ocupam orbitais 2s que penetram na região do núcleo e podem participar da captura.
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Origem natural
Na Terra existem 28 elementos naturais radioativos e, entre eles, 35 radionuclídeos já estavam presentes antes da formação do Sistema Solar. Sete desses elementos possuem dois radionuclídeos desse tipo. Os 35 são chamados de radionuclídeos primordiais.[nota 63] Entre os exemplos estão o urânio, o tório e o potássio-40. O urânio-238, o urânio-235 e o tório-232 iniciam as três longas séries naturais de decaimento que ainda existem na Terra. Nos primeiros minutos do Universo, a nucleossíntese primordial produziu principalmente hidrogênio e hélio, com pequenas quantidades de lítio e berílio. Elementos mais pesados surgiram em processos de nucleossíntese posteriores. Os radionuclídeos naturais encontrados na Terra podem ser restos de longa duração do material que formou o Sistema Solar, produtos de cadeias de decaimento ou núcleos criados continuamente por raios cósmicos. O carbono-14, com meia-vida de 5.700(30) anos, é produzido sem cessar na atmosfera superior quando raios cósmicos interagem com o nitrogênio.
Produção artificial e efeitos radioquímicos
Radionuclídeos artificiais podem ser criados ao transformar núcleos estáveis ou de longa duração por meio de reações nucleares. Um alvo pode ser irradiado em um reator de pesquisa ou bombardeado com partículas aceleradas em cíclotrons e outros aceleradores. Depois, o radionuclídeo desejado pode ser separado e purificado para uso médico, industrial ou científico. A forma de produção não muda a lei estatística do decaimento, e cada radionuclídeo mantém sua constante de decaimento e seus modos característicos. No efeito Szilard-Chalmers, o recuo de um átomo durante um processo nuclear pode fornecer energia suficiente para romper uma ligação química.[nota 66] Depois da captura de um nêutron, por exemplo, a emissão de radiação gama pode transferir momento ao núcleo. O átomo deslocado pode então ser separado quimicamente dos demais isótopos.
Calor de decaimento e calor radiogênico
Quando as partículas e os fótons emitidos no decaimento são absorvidos pela matéria ao redor, sua energia acaba transformada em calor de decaimento. Em planetas e outros corpos, o calor produzido por radionuclídeos naturais também recebe o nome de calor radiogênico.[nota 67] Na Terra, as fontes de longa duração mais relevantes são urânio-238, urânio-235, tório-232 e potássio-40.
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Atividade e unidades
No Sistema Internacional de Unidades, a atividade radioativa é medida em becquerels, Bq, unidade que homenageia Henri Becquerel. Um becquerel corresponde a uma transformação, um decaimento ou uma desintegração por segundo.[nota 68] O curie, Ci, é uma unidade mais antiga cuja definição original usava a quantidade de emanação do rádio em equilíbrio secular com um grama de rádio. A unidade passou a valer 3,7 × 1010 desintegrações por segundo, de modo que 1 Ci = 3,7 × 1010 Bq. Nos Estados Unidos, regras de proteção radiológica ainda permitem seu uso ao lado das unidades do SI, enquanto a União Europeia retirou a unidade dos usos relacionados à saúde pública até 31 de dezembro de 1985.
Detecção e espectrometria
Materiais radioativos podem ser medidos de maneiras diferentes, dependendo da radiação emitida e do que se quer descobrir. Câmaras de ionização, contadores proporcionais e contadores Geiger recolhem as cargas produzidas em um gás. Detectores de cintilação transformam parte da energia depositada em luz, enquanto detectores semicondutores produzem sinais elétricos que permitem separar energias com boa resolução. A escolha do instrumento depende do tipo de partícula, da energia, da intensidade do campo e da grandeza que será medida. O número de pulsos mostrado por um detector não corresponde automaticamente à atividade da amostra.[nota 70] Geometria, eficiência do detector, absorção no próprio material e radiação de fundo determinam qual fração dos decaimentos chega a ser contada. A espectroscopia gama mede também a energia dos fótons e pode reconhecer radionuclídeos por seus picos característicos. Na proteção radiológica, dosímetros e monitores de área medem grandezas ligadas à dose, e não apenas pulsos.
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Traçadores, datação e números aleatórios
Na marcação radioisotópica, uma substância é preparada com átomos radioativos e acompanhada ao longo de um sistema, como um organismo, pela detecção da radiação emitida nos locais por onde o traçador passa. A aleatoriedade do decaimento também pode fornecer sinais para geradores físicos de números aleatórios. A meia-vida conhecida de cada radionuclídeo também permite usar sistemas isotópicos para estimar idades, desde que as condições exigidas pelo método tenham sido preservadas. Em materiais geológicos, certos radioisótopos e seus produtos ficam retidos depois da formação do mineral ou da rocha, e as proporções isotópicas medidas permitem calcular o tempo transcorrido.[nota 71] Na datação por radiocarbono, o carbono-14 permite estimar quanto tempo passou desde que um organismo deixou de trocar carbono com o ambiente, dentro do intervalo útil do método. A calibração usa registros independentes, entre eles séries de anéis anuais de árvores.
Aplicações industriais
Na indústria, fontes radioativas podem medir espessura, densidade e nível, esterilizar materiais, acompanhar escoamentos e realizar ensaios não destrutivos. Na radiografia industrial, diferenças na absorção da radiação permitem detectar falhas internas sem cortar a peça. Traçadores radioativos permitem acompanhar vazamentos, mistura e fluxo dentro de equipamentos fechados.
Medicina nuclear
Na medicina nuclear, radiofármacos preparados pela radiofarmácia distribuem-se pelo organismo conforme processos fisiológicos. A radiação emitida permite formar imagens por cintilografia, tomografia computadorizada por emissão de fóton único e tomografia por emissão de pósitrons. Outros radiofármacos são escolhidos para depositar energia em tecidos e tratá-los. A seleção do radionuclídeo leva em conta sua meia-vida, o tipo e a energia da emissão, a química do composto e a dose recebida pelos tecidos.
Fontes de energia
O calor liberado pelo decaimento pode ser convertido em eletricidade por geradores termoelétricos de radioisótopos, usados em missões espaciais e equipamentos remotos.
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Atividade, exposição e dose
A atividade conta quantos núcleos decaem por unidade de tempo, mas duas fontes com a mesma atividade podem produzir doses muito diferentes porque a dose e o risco também dependem das partículas emitidas, de suas energias, da distância, do tempo de exposição, da parte do corpo atingida e do comportamento químico do radionuclídeo. Quando uma pessoa ou um objeto fica exposto a um campo de radiação, ocorre irradiação. Já a contaminação radioativa exige que material radioativo esteja presente em uma superfície, no ar, na água ou dentro do organismo. Uma pessoa pode ser irradiada sem ficar contaminada, enquanto um radionuclídeo incorporado ao corpo pode continuar irradiando tecidos até ser eliminado ou decair.[nota 72]
Princípios de proteção
Na exposição externa, reduzir o tempo perto da fonte, aumentar a distância e colocar blindagem adequada entre a fonte e a pessoa diminuem a dose. Quando há risco de contaminação, também entram medidas de confinamento, procedimentos de trabalho, monitoração e prevenção da dispersão do material.
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Descoberta e formulação da teoria
O interesse de Henri Poincaré pelos recém-descobertos raios X chamou a atenção de Henri Becquerel para uma possível relação com a fosforescência. Materiais fosforescentes brilham no escuro depois de expostos à luz, e Becquerel suspeitou que o brilho produzido pelos raios X em tubos de raios catódicos pudesse estar relacionado a esse fenômeno. Em 1896, ele colocou diferentes sais fosforescentes sobre uma placa fotográfica embrulhada em papel preto para testar a ideia. A maior parte dos materiais não produziu o efeito esperado, mas sais de urânio escureceram a placa mesmo sem a ação da luz. Marie Curie começou a estudar a radiação dos compostos de urânio em 1897. Ela usou a expressão rayons de Becquerel, "raios de Becquerel",[nota 73] e mostrou que a emissão estava ligada aos próprios átomos.
Radioatividade artificial e descoberta de novos modos
Em janeiro de 1934, Irène Joliot-Curie e Frédéric Joliot-Curie produziram radioatividade artificial ao bombardear elementos leves com partículas alfa. Os núcleos formados continuavam a emitir pósitrons depois que a fonte de partículas era retirada. A técnica tornou possível preparar radionuclídeos que não existem na natureza em quantidade apreciável. Em 1983, H. J. Rose e George Arnold Jones observaram outro modo de decaimento, no qual o rádio-223 emite um núcleo de carbono-14. O resultado, publicado no ano seguinte, recebeu o nome de decaimento cluster.
Reconhecimento dos efeitos biológicos
Os danos causados pela radiação ionizante não eram claros nos primeiros anos depois da descoberta dos raios X e da radioatividade, e muitos dos primeiros experimentos foram feitos sem a proteção que depois se tornaria padrão.[nota 74] Depois da descoberta dos raios X por Wilhelm Röntgen em 1895, cientistas, médicos e inventores começaram rapidamente a experimentar com a nova radiação. Já em 1896 surgiram relatos de queimaduras, queda de cabelo e lesões mais graves. Na Universidade Vanderbilt, uma radiografia experimental da cabeça do doutor Dudley provocou queda de cabelo, e H. D. Hawks sofreu queimaduras graves nas mãos e no peito durante uma demonstração.
Desenvolvimento da proteção radiológica
Pouco depois da descoberta dos raios X surgiram as primeiras recomendações de proteção. O engenheiro norte-americano Wolfram Fuchs publicou uma delas em 1896, e o primeiro Congresso Internacional de Radiologia, em 1925, discutiu a criação de normas comuns. Os efeitos sobre o material genético também passaram a ser estudados. Hermann Muller verificou em 1927 que raios X podiam produzir mutações e recebeu o Prêmio Nobel de Fisiologia ou Medicina em 1946 por esse trabalho. No segundo Congresso Internacional de Radiologia, realizado em Estocolmo em 1928, os participantes propuseram a unidade röntgen e criaram o Comitê Internacional de Proteção contra Raios X e Rádio, IXRPC na sigla em inglês. Rolf Sievert assumiu a presidência, e George Kaye, do Laboratório Nacional de Física, participou da organização. O comitê voltou a se reunir em 1931, 1934 e 1937.
