Radioatividade

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O fenômeno da desintegração espontânea do núcleo de um átomo com a emissão de algumas radiações é chamado de radioatividade. A radioatividade transforma núcleos instáveis fazendo surgir as radiações α, β e γ. A lei fundamental do decaimento radioativo afirma que a taxa de decaimento é proporcional ao número de núcleos que ainda não decaíram: N = N o . e − λ . t {\displaystyle N=N_{o}.e^{-\lambda .t}} Esta é a equação da lei básica para a radioatividade. A medida da intensidade da radioatividade é feita em duas unidades que são: Na natureza existem elementos radioativos que exibem transformação sucessiva, isto é, um elemento decai em substância radioativa que também é radioativa. Na transformação radioativa sucessiva, se o número de nuclídeos qualquer membro da cadeia é constante e não muda com o tempo, é chamado em equilíbrio radioativo. A condição de equilíbrio é portanto: N p = − λ p N p = 0 {\displaystyle N_{p}=-\lambda _{p}N_{p}=0}

Produz-se a radioatividade induzida quando se bombardeiam certos núcleos com partículas apropriadas. Se a energia destas partículas tem um valor adequado, elas penetram no núcleo bombardeado formando um novo núcleo que, no caso de ser instável, se desintegra posteriormente. Foi realizada pela primeira vez pelo físico neozelandês Ernest Rutherford, ao bombardear átomos de nitrogênio, com partículas alfas, obtendo oxigênio. Sendo estudada pelo casal “Joliot-Curie” (Frédéric Joliot e Irène Joliot-Curie), bombardeando núcleos de boro e alumínio com partículas alfa, eles observaram que as substâncias bombardeadas emitiam radiações após retirar o corpo radioativo emissor das partículas alfa. O estudo da radioatividade permitiu um maior conhecimento da estrutura dos núcleos atômicos e das partículas subatômicas. Abriu-se a possibilidade da transmutação dos elementos, ou seja, a transformação de elementos em elementos diferentes. Inclusive o sonho dos alquimistas de transformar outros elementos em ouro se tornou realidade, mesmo que o processo economicamente não seja rentável.

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O decaimento radioativo é um processo que envolve conceitos de probabilidade. Partículas dentro de um átomo têm certas probabilidades de decair por unidade de tempo de uma maneira espontânea. A probabilidade de decaimento é independente da vida previa da partícula. Por exemplo se N(t) é considerado o número de partículas como função do tempo, então, temos a taxa de decaimento sendo proporcional a N. − d N ( t ) d t = λ N {\displaystyle {\frac {-dN(t)}{dt}}=\lambda N} A constante de proporcionalidade tem dimensão inversamente proporcional ao tempo. N ( t ) = N 0 e − λ t {\displaystyle N(t)=N_{0}e^{-\lambda t}} onde N 0 {\displaystyle N_{0}} é o número inicial de partículas. O número de partículas de um dado elemento decai exponencialmente numa taxa diretamente proporcional ao elemento. Define-se a vida média de um elemento como τ = 1 λ {\displaystyle \tau ={\frac {1}{\lambda }}} Tendo um exemplo de muitas partículas, 1/e delas (cerca de 37,8%) não decairão após um tempo τ {\displaystyle \tau } . Na Física Nuclear trabalha-se com o conceito de vida média, que é o tempo depois do qual a amostra se reduziu à metade.

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Quanto aos tipos de radiação, descobriu-se que um campo elétrico ou magnético podia separar as emissões em três tipos de raios. Por falta de melhores termos, os raios foram designados alfabeticamente como alfa, beta e gama, o que se mantém até hoje. Enquanto que o decaimento alfa foi apenas observado nos elementos mais pesados (número atómico 52, telúrio, e maiores), os outros dois tipos de decaimento foram observados em todos os elementos. Ao analisar-se a natureza dos produtos do decaimento, tornou-se óbvio a partir da direção das forças eletromagnéticas produzidas sobre as radiações pelos campos magnético e elétrico externos, que os raios alfa tinham carga positiva, os raios beta carga negativa, e que os raios gama eram neutros. A partir da magnitude de defleção, era claro que as partículas alfa eram muito mais maciças do que as partículas beta. Fazer passar partículas alfa através de uma janela de vidro muito fina e encerrá-las numa lâmpada de néon permitiu aos investigadores estudarem o espectro de emissão do gás resultante, e finalmente demonstrarem que as partículas alfa são núcleos de hélio. Outras experiências mostraram a semelhança entre a radiação beta clássica e os raios catódicos: são ambos fluxos de eletrões. De igual modo, descobriu-se que a radiação gama e os raios-X são formas semelhantes de radiação eletromagnética de alta-energia.

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As radiações gama não alteram o número atômico nem o número de massa do átomo. Quando um átomo emite uma partícula radioativa dizemos que ele sofreu uma desintegração.

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As leis da desintegração radioativa, descritas por Soddy e Fajans, são: Desse modo, a emissão de partículas alfa e beta pelos átomos instáveis muda seu número atómico, transformando-os em outros elementos. O processo de desintegração nuclear só termina com a formação de átomos estáveis. O urânio-238, por exemplo, vai sofrendo decaimento até formar o elemento chumbo-206.

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A lei de decaimento radioativo, foi deduzida a partir da suposição que decaimento radioativo num intervalo de tempo dado Δ t {\displaystyle \Delta t} . A ideia é que todos os núcleos dum dado elemento químico são indistinguíveis. O melhor que se pode fazer é determinar o número médio de núcleos sofrendo decaimento no intervalo de tempo a partir de t {\displaystyle t} até t + Δ t {\displaystyle t+\Delta t} . Assim, o que nós temos é um processo estatístico, isto é, o decaimento dum dado núcleo é um evento aleatório possuindo uma certa probabilidade de ocorrência. A probabilidade de decaimento por unidade de tempo por núcleo pode ser deduzida como se segue. Se nós temos N núcleos originais e o número que sofre decaimento no intervalo de tempo Δ t {\displaystyle \Delta t} é Δ N {\displaystyle \Delta N} , então o decrescimento relativo, − Δ N N {\displaystyle -{\frac {\Delta N}{N}}} no número de núcleos por unidade de tempo, isto é, a quantidade

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O decrescimento no número de núcleos radioativos de acordo com a lei de decaimento radioativo, pode ser usada como um meio para medir o tempo que passou desde que uma amostra contendo, inicialmente N o {\displaystyle N_{o}} átomos radioativos e o instante quando o seu número é N {\displaystyle N} . Em outras palavras, radioatividade disponibiliza uma espécie de escala de tempo. De acordo com a lei de radioatividade: N = N o . e − λ t {\displaystyle N=N_{o}.e^{-\lambda t}} o intervalo de tempo entre os instantes em que o número de núcleos radioativos é N o {\displaystyle N_{o}} e N {\displaystyle N} é: t = ( 1 λ ) ln ⁡ ( N o N ) = 1 , 44 1 / 2 ln ⁡ ( N o N ) {\displaystyle t={\Bigg (}{\frac {1}{\lambda }}{\Bigg )}\ln {\Bigg (}{\frac {N_{o}}{N}}{\Bigg )}=1{,}44_{1/2}\ln {\Bigg (}{\frac {N_{o}}{N}}{\Bigg )}} Como regra, N representa o número de núcleos não transformados no tempo presente, de modo que a equação acima dá a idade da amostra contendo os núcleos radioativos.

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A fissão nuclear ocorre quando um átomo instável, por exemplo, o de urânio (235 U), é bombardeado por um nêutron, levando à formação de bário e criptônio dois ou três novos nêutrons e energia. Os nêutrons gerados na fissão podem se chocar com outros núcleos instáveis de urânio (235 U) repetindo o processo em cadeia, que se intensifica de modo exponencial, levando a grande liberação de energia. Caso haja uma quantidade mínima de material radioativo, denominada massa crítica, a reação seguirá até a fissão do último átomo de urânio de forma muito rápida, com liberação de uma imensa quantidade de energia. Esse é o princípio da bomba nuclear. Quando a reação de fissão nuclear envolve menores quantidades de urânio (235 U) e o bombardeamento do núcleo atômico por nêutrons ocorre de modo controlado; por exemplo, limitando a velocidade dos nêutrons com o uso de água pesada, ou pela remoção de parte dos nêutrons gerados durante a fissão com o uso de grafite, que absorve o excesso de nêutrons, haverá a liberação regulada de energia, que pode, por exemplo, gerar energia elétrica nas usinas nucleares.

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Em 1896, o cientista francês Henri Becquerel, ao estudar a relação entre substâncias fosforescentes, analisou que sais de urânio emitiam um tipo de radiação que chocou chapas fotográficas. Seguidamente, o casal Pierre e Marie Curie descobriu que outros elementos também emitiam esse tipo de radiação, que foi batizada de radioatividade. Nas décadas seguintes, pesquisadores como Ernest Rutherford e Frederick Soddy esclareceram diversas singularidades da radioatividade e dos elementos radioativos. Sobre as pesquisas desenvolvidas, a que proporcionou as mais marcantes aplicações foi a sobre a fissão do urânio. Em 1939, esta foi analisada pelos alemães Otto Hahn e Fritz Strassmann e examinada pela física austríaca Lise Meitner, já radicada na Suécia devido à perseguição dos nazistas. Nesse mesmo ano, o exército alemão invadiu a Polônia, iniciando a Segunda Guerra Mundial (1939- 1945). Na guerra, Niels Bohr foi um dos primeiros cientistas aliados a tomar conhecimento de que os alemães tinham obtido a fissão do urânio. Com a enorme quantidade de energia liberada nesse processo, Bohr temeu por seu uso em uma arma. Um fato que reforçou suas suspeitas foi uma visita recebida, na Dinamarca ocupada pelos nazistas, de seu colega alemão Werner Heisenberg, que deu a Bohr um diagrama contendo dados sobre o programa atômico alemão.