O que são Decaimentos Radioativos?

O que são Decaimentos Radioativos?

Se você quer saber mais sobre o tema de Radioatividade e como ele pode cair nas provas dos seletivos das Forças Armadas, confira este resumo sobre Decaimentos Radioativos que o Estratégia Militares preparou para você com o material do Prof. Thiago Cardoso! 

Confira também o texto sobre Equações Nucleares no Portal do Estratégia Militares! 

O que é Decaimento Radioativo?

O decaimento radioativo é o processo espontâneo, no qual há emissão de partículas e alteração da estrutura de um núcleo. Quando um isótopo de um elemento qualquer sofre um decaimento radioativo, ele é classificado como um radioisótopo. Todos os elementos apresentam pelo menos um isótopo radioativo.

Essa classificação é importante, porque o decaimento radioativo é sempre exotérmico – ou seja, sempre acontece com intensa liberação de energia, geralmente na forma de raios gama. 

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Eles correspondem aos menores comprimentos de onda no espectro eletromagnético. Portanto, de acordo com a Equação de Planck, que diz que a energia é inversamente proporcional ao comprimento de onda, elas possuem os fótons de maior energia.

Decaimento Radioativo vs. Transmutação Artificial

É importante enfatizar que o Decaimento Radioativo deve acontecer de forma espontânea. Quando os processos são provocados – por exemplo, ao bombardear núcleos com nêutrons ou partículas alfa em aceleradores de partículas – eles são chamados de transmutações artificiais. Não confunda! 

Observe a diferença na tabela abaixo: 

O primeiro processo não é um decaimento porque o núcleo de bismuto foi bombardeado com núcleos de ferro-58. Logo, o processo foi provocado, não foi espontâneo. Trata-se de uma transmutação artificial.

O segundo processo é um decaimento porque o isótopo lítio-8 emitiu partículas beta de forma espontânea, transformando-se em outro núcleo.

Para resumir: 

Agora, vamos ver quais são os tipos de decaimento radioativo que existem! 

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Emissão de partículas alfa 

Os decaimentos radioativos implicam na emissão de partículas, sendo que a mais conhecida é a partícula alfa. Elas foram primeiramente teorizadas por Frederick Soddy, que elaborou as famosas Leis de Soddy da Radioatividade.

Primeira Lei de Soddy: Quando um radioisótopo emite uma partícula alfa (α), ele se transforma em outro elemento com número atômico inferior em duas unidades e número de massa inferior em quatro unidades. 

Confira alguns exemplos: 

Note que, nas escritas de ambas as equações, foram conservadas tanto a soma das cargas como a soma dos números de massa. A partícula alfa é representada por 2a4, que também equivale ao núcleo do isótopo mais estável do hélio.

Um fato interessante é que as partículas alfa diminuem o tamanho do núcleo. Por isso, são normalmente emitidas por radioisótopos de número atômico mais elevado, que se transformam em isótopos de menor núcleo.

Os núcleos de número atômico elevados dificilmente são estáveis, já que começam a exceder o raio de atuação das forças nucleares. Portanto, eles tendem a sofrer decaimento por emissão de partículas alfa. 

As partículas alfa, em si, não causam sérios danos em seres pluricelulares, já que são lentas e têm baixo poder de penetração. Elas são emitidas apenas com dois prótons e dois nêutrons, mas, assim que encontram algum átomo em seu caminho, roubam-lhe dois elétrons, formando um átomo de hélio. 

Por conta disso, as partículas alfa são chamadas de radiações ionizantes – e, essas, sim, trazem sérios riscos para seres vivos. Elas afetam o metabolismo de diversas formas, como: alteração de DNA, indução da produção de íons livres, entre outros. 

É importante reforçar que os elétrons pouco importam para a escrita das equações nucleares. Porém, nesse caso específico, é importante comentar, pois a maior parte do hélio presente na superfície terrestre é originado de emissões de partículas alfa. 

Emissão de partículas beta 

Outra partícula emitida nos decaimentos radioativos é a partícula beta. Ela também foi teorizada por Frederick Soddy, segundo aparece em sua segunda lei. 

Segunda Lei de Soddy: “Quando um radioisótopo emite uma partícula beta (β), ele se transforma em outro elemento com número atômico superior em uma unidade e com o mesmo número de massa.”

A emissão de partículas beta só acontece com isótopos que apresentam uma elevada quantidade de nêutrons em relação ao número de prótons. Além disso, ela só acontece quando é acompanhada pela emissão de um neutrino

No exemplo acima podemos ver que foram respeitadas as duas regras das equações nucleares. Tanto a carga nuclear como o número de massa foram conservados. 

Há muito pouco a se falar a respeito dos neutrinos e antineutrinos que acompanham as partículas beta. Eles são extremamente leves – mais que os elétrons – e abundantes. Porém, eles interagem muito pouco com a matéria, pois não possuem carga elétrica, nem massa. 

a partícula beta é nada mais que um elétron, com número de massa nulo e carga negativa. Porém, na Radioatividade, a chamamos de partícula beta e a representamos por . Essa preferência é apenas uma forma de escrever melhor as equações nucleares. 

As partículas beta são muito leves, por conta disso, são emitidas a uma velocidade bem superior à das partículas alfa. Por isso, elas têm maior poder de penetração e interagem com campos elétricos, já que são partículas carregadas. Ela é considerada uma radiação ionizante e causa danos biológicos. 

Além disso, na maioria das emissões de partículas beta, é formado inicialmente uma versão instável do nuclídeo final. Esse nuclídeo sofre o processo de isomerização, com liberação de raios gama. 

Isomerização

Quando dois núcleos são formados pela mesma quantidade de prótons e nêutrons, mas possuem energias diferentes, dizemos que são isômeros. Não se sabe ao certo o que os leva a serem diferentes, mas a hipótese das camadas nucleares traz uma luz para esse fenômeno.

Por analogia, considere a eletrosfera de um átomo de hélio, que é estável, em seu estado excitado: 

No processo de isomerização demonstrado acima, não há alteração no número atômico nem no número de massa do isótopo. Houve, porém, liberação de energia, já que o núcleo passou de um estado excitado para o estado fundamental. Essa energia é liberada na forma de uma partícula gama.

Nesse decaimento, o núcleo instável é assinalado com um asterisco para indicar que se trata de um estado excitado do núcleo de hélio-4. 

Radiação gama

As partículas gama que mencionamos são radiações eletromagnéticas, portanto se movem na velocidade da luz. Seu comprimento de onda é muito pequeno e pode atingir alguns picometros (1 pm = 10-12 m), embora também possam apresentar valores ainda menores, até mesmo próximos do comprimento de Planck (1,6.10-35 m), o menor comprimento de onda possível.

Como ele é muito pequeno, as ondas das partículas gama são muito energéticas, na casa Mega Elétron-volts (MeV). Por conta disso, elas são muito perigosas, pois podem ocasionar o rompimento de ligações químicas nas moléculas de seres vivos. Seu poder de penetração é tão grande que somente pode ser detido por placas de chumbo. 

Vale destacar que quando há emissões das partículas alfa e beta, que mencionamos anteriormente, é comum ocorrer liberação de energia – e essa energia é emitida na forma de raios gama. Ou seja, o maior perigo nem são as partículas alfa e beta e, sim, os raios gama que as acompanham. Confira no esquema abaixo: 

Outro ponto a ser lembrado é que os raios gama não possuem carga ou massa, por isso não interagem com campos elétricos ou magnéticos. 

Emissão de Pósitrons 

Outra forma de decaimento radioativo é a emissão de pósitrons, conhecidos também como partícula beta positiva e representado por . O pósitron é emitido para equilibrar as cargas no momento em que um próton se converte em um nêutron.  

Vejamos alguns exemplos de núcleos emissores de prótons: 

A emissão de pósitrons é acompanhada pela emissão de um antineutrino, que é a antipartícula do neutrino. O pósitron, por sua vez, é a antipartícula do elétron. Um par de partículas e antipartículas, quando se encontram, sofrem aniquilação, ou seja, a matéria é destruída provocando intensa liberação de energia, na forma de raios gama.

Como os elétrons são bastante abundantes, o pósitron é também considerada uma radiação ionizante, já que tem facilidade em aniquilar esses elétrons, provocando sensíveis alterações na matéria.

Uma das principais aplicações dessa partícula é na tomografia por emissão de pósitrons (PET). Nessa técnica, injeta-se no paciente glicose ligada a um elemento radioativo, como o flúor radioativo. As regiões que metabolizam a glicose em excesso, tais como tumores ou regiões do cérebro em intensa atividade serão detectadas.

Efeito captura K

O efeito da Captura K é o mesmo da emissão de pósitrons. O núcleo pode capturar um elétron da camada mais interna da eletrosfera – a camada K ou nível 1 de energia – e, assim, converter um próton em um nêutron.

Sinteticamente, elas podem ser resumidas como:

O efeito captura K acontece em núcleos deficientes em nêutrons. Veja alguns exemplos: 

Algumas transformações podem acontecer tanto pela emissão de pósitrons como pela captura K. Por exemplo, a conversão de vanádio-48 em titânio-48. Segundo dados de J. D. Lee: 

Após a captura K, os elétrons das camadas acima vão passar para o nível fundamental, o que provoca a emissão de raios-X. Sendo assim, é bastante comum que a captura K seja acompanhada pela emissão de raios-X. Podemos sintetizar o tipo de partícula emitido pelo radioisótopo, de acordo com a quantidade de prótons e nêutrons presentes no seu núcleo.

A captura K é classificada como um decaimento radioativo, porque o elétron não foi bombardeado no núcleo. O que aconteceu é que o próprio núcleo absorveu o elétron do átomo a fim de aumentar a sua estabilidade. Veja o esquema: 

Séries Radioativas

Uma série radioativa é o conjunto de decaimentos sucessivos por um radioisótopo. O mais comum é um isótopo de número atômico muito elevado decair até chegar a um isótopo estável do chumbo (Z = 82), que são o chumbo-206, chumbo-207 e chumbo-208.

É interessante observar que, de todas as partículas que estudamos, a única que altera o número de massa do isótopo é a partícula alfa, que possui o número de massa igual a 4. Sendo assim, em uma série radioativa, o número de massa sempre decai de um fator de quatro unidades – ou seja, a redução de número de massa deve ser sempre um múltiplo de 4. 

Um tema que pode ser cobrado em questões de prova é saber qual isótopo do chumbo será o resultante da série radioativa. Para isso, basta você dividir o número de massa inicial e registrar o resto da divisão por 4. O número de massa do isótopo final deve apresentar o mesmo resto da divisão.

Veja a seguir os restos das divisões dos números de massa dos isótopos estáveis do chumbo: 

Quer saber quais são as séries radioativas? Existem quatro delas, sendo que três são naturais e uma é artificial. Cada série radioativa tem um elemento principal, que é o radioisótopo mais abundante na Terra. Ele é o elemento que possui o maior tempo de meia-vida, ou seja, o que demora mais para decair.

Confira a seguir as séries radioativas! Em vermelho está marcado o radioisótopo característico da série e em azul o isótopo estável em que a série termina.

Série do Tório (4n) 

Inicia-se com o 90Th232. Como 232 dividido por 4 é igual a 58 e deixa resto 0, essa série termina no isótopo 82Pb208. Essa série é chamada 4n, porque todos os isótopos pertencentes a ela possuem números de massa múltiplos de 4. 

Série do Neptúnio (4n+1)

Das quatro séries, esta é a única artificial e é marcada pela presença do 93Np237. Ela foi descoberta após a síntese dos primeiros elementos transurânicos artificiais. Como 237 dividido por 4 é igual a 59 e deixa resto 1, essa série termina não pode terminar em um isótopo do chumbo. Em vez disso, ela termina no bismuto-209 (83Pb209). 

Essa série é chamada 4n + 2, porque todos os isótopos pertencentes a ela possuem números de massa que deixam o resto 2 na divisão por 4.

Um fato interessante sobre essa série é que ela produz o isótopo chumbo-209, que não é estável, porque apresenta excesso de nêutrons. Então, esse isótopo faz a última emissão da série, transformando-se em bismuto-209.

Série do Urânio (4n+2)

Inicia-se com o 92U238. Como 238 dividido por 4 é igual a 59 e deixa resto 2, essa série termina no isótopo 82Pb206. Essa série é chamada 4n + 2, porque todos os isótopos pertencentes a ela possuem números de massa que deixam o resto 2 na divisão por 4. 

Série do Actínio (4n+3)

Essa série, na verdade, se inicia com o 92U239 e seu elemento característico é o urânio-235. Porém, como já existe uma com o nome de “Série de Urânio”, preferiu-se chamá-la de “Série de Actínio”. Há ainda os que a chamam de “Série do Urânio-235”. Ambas as denominações devem ser consideradas corretas.

Como 239 dividido por 4 é igual a 59 e deixa resto 3, essa série termina no isótopo 82Pb207. Essa série é chamada 4n + 3, porque todos os isótopos pertencentes a ela possuem números de massa que deixam o resto 3 na divisão por 4.

O mais importante dentro desse tipo de decaimento radioativo é saber determinar qual o isótopo estável em que termina a série radioativa do radioisótopo apresentado. Para isso, basta utilizar a regra da divisão por 4. 

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