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Radioatividade. Prof. Ricardo. Radioatividade. Histórico Efeitos das Emissões Radioativas Leis da radioatividade Cinética das desintegrações Aplicações. Histórico.
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Radioatividade Prof. Ricardo
Radioatividade • Histórico • Efeitos das Emissões Radioativas • Leis da radioatividade • Cinética das desintegrações • Aplicações
Histórico Em 8 de outubro de 1895, na Universidade de Wurzburg, na Alemanha, o físico W. Röntgen percebeu um estranho brilho de uma tela fluorescente, situada a alguns metros de uma aparelhagem de descargas de gases rarefeitos, coberta por um manto negro. Röntgen observou que a luminosidade da tela desaparecia quando a aparelhagem era desligada. Assim, ele logo concluiu que raios estavam atravessando a proteção de sua aparelhagem e atingindo a placa fluorescente. Como Röntgen não conhecia a natureza desses raios chamou-os de raios x. (no meio científico, essas misteriosas radiações também ficaram conhecidas como radiações de Röntgen).
Histórico O físico francês Antoine-Henri Becquerel ficou imediatamente fascinado com a descoberta dos raios x e em fevereiro de 1896, ele passou a investigar uma possível fluorescência provocada por um composto de urânio chamado sulfato de potássio e uranilo, K2UO2(SO4)2. Sua experiência consistia basicamente em expor ao sol um filme fotográfico protegido por um envelope de papel negro, sobre o qual Becquerel colocava cristais do composto de urânio. Esperava-se, então, que a fluorescência do composto, provocada pela luz solar, manchasse o filme fotográfico.
Histórico Tudo isso efetivamente ocorreu, mas o que intrigou Becquerel foi observar que o filme ficava manchado também em dias nublados. Experiências posteriores, feitas em completa escuridão, mostraram que o composto de urânio parecia emitir espontaneamente uma radiação capaz de impressionar filmes fotográficos.
Histórico Como era de se esperar, as descobertas de Röntgen e Becquerel provocaram um forte impacto na comunidade científica da época. Dentre os vários cientistas que começaram a investigar essas misteriosas radiações figuravam J. J. Thomson e seu pupilo Ernest Rutherford, além de uma jovem estudante, Marie Curie, que procurava naquele momento um bom tema para sua tese de doutoramento. Pouco tempo depois, Curie anotaria em seus relatórios, pela primeira vez, a palavra radioatividade.
Histórico O casal Curie (Marie e Pierre), foi pioneiro no estudo da radioatividade. Trabalhando em um galpão pobre e com poucos recursos técnicos, verificaram que todos os sais de urânio apresentavam a propriedade de impressionar chapas fotográficas; concluiu-se, então, que o responsável pelas emissões era o próprio urânio. Extraindo e purificando o urânio do minério pechblenda (U3O8), proveniente da Tchecoslováquia, o casal Curie verificou que as impurezas eram mais radioativas do que o próprio urânio; dessas impurezas, eles separaram, em 1898, um novo elemento químico, o polônio, 400 vezes mais radioativo do que o urânio e posteriormente, novas separações e purificações levaram Marie Curie a descobrir outro elemento químico, o rádio, 900 vezes mais radioativo do que o urânio.
Efeitos das Emissões Radioativas • Efeitos Químicos: um exemplo é a decomposição dos sais de prata, existentes nas chapas fotográficas. • Efeitos Luminosos: muitos elementos radioativos são fluorescentes ou provocam a fluorescência em outras substâncias. • Efeitos Térmicos: 1 g de rádio, por exemplo, libera cerca de 138 kcal/h. • Efeitos elétricos: as emissões radioativas ionizam o ar e gases de maneira geral, melhorando suas condutividades elétricas. • Efeitos Fisiológicos: as emissões radioativas podem causar queimaduras, ulcerações na pele, mutações genéticas, câncer, etc.
As emissões radioativas Um ano após as descobertas de Becquerel, o físico neozelandês Ernest Rutherford submeteu emissões radioativas a um campo elétrico e verificou a existência de radiações positivas e negativas, que ele denominou, respectivamente, de alfa () e beta (). Em 1900, o físico francês Paul Ulrich Villard constatou a existência de emissões que não eram afetadas por campos elétricos, as emissões gama ().
Estudo das Emissões • As emissões As emissões são partículas formadas por 2 prótons e 2 nêutrons, têm carga igual a +2 e massa igual a 4. Dependendo do átomo emissor, tais partículas têm velocidade de 3.000 a 30.000 km/s e penetram de 2 a 8 cm de ar. O poder de penetração das partículas é o menor das 3 emissões; normalmente uma folha de papel detém essas partículas.
Estudo das Emissões As emissões As emissões são constituídas de elétrons e são formadas a partir da desintegração de nêutrons. Testes de laboratório mostram que as partículas atingem 90% da velocidade da luz e são muito mais penetrantes que as partículas . Um feixe de partículas pode penetrar até 1 cm de alumínio ou 1 mm de chumbo.
Estudo das Emissões As emissões As emissões não são partículas, mas ondas eletromagnéticas semelhantes à luz, porém de comprimento de onda muitíssimo menor e, portanto, de energia muito mais elevada. Como não possui massa nem carga elétrica, as emissões não sofrem desvio ao atravessar um campo elétrico ou magnético. Sua velocidade é igual à velocidade da luz (300.000 km/s) e seu poder de penetração é bem maior que o das partículas e ; normalmente, uma emissão atravessa 20 cm no aço ou 5 cm no chumbo, por esse motivo, as emissões são as mais perigosas do ponto de vista fisiológico.
Estudo das Emissões O quadro abaixo reúne as principais características das emissões , e .
Leis da Radioatividade 1a Lei ou Lei de Soddy Quando um núcleo emite uma partícula , seu número atômico diminui duas unidades e seu número de massa diminui quatro unidades.
Leis da Radioatividade 2a Lei ou Lei de Soddy-Fajans-Russell Quando um núcleo emite uma partícula , seu número atômico aumenta uma unidade e seu número de massa não se altera.
Cinética das desintegrações A cinética das desintegrações é a parte da química nuclear que nos mostra que alguns materiais radioativos se desintegram rapidamente, enquanto outros se desintegram lentamente. Para entendermos tal processo, precisamos nos familiarizar com as seguintes grandezas: • Velocidade de desintegração ou atividade radioativa: corresponde ao número de átomos de um material radioativo que se desintegram na unidade de tempo. A unidade usual da velocidade de desintegração é desintegração por segundo (dps) ou becquerel (Bq).
Cinética das desintegrações • Constante radiativa: a constante radiativa é uma grandeza que nos mostra a fração de átomos que se desintegram na unidade de tempo. Ela apresenta um valor fixo para cada átomo radioativo. Assim, para o rádio-226, por exemplo, ela vale ano-1, ou seja, para cada 2300 átomos de rádio-226, provavelmente um se desintegra no intervalo de 1 ano.
Cinética das desintegrações • Vida-média: média aritmética dos tempos de vida de todos os átomos radioativos de um material radioativo. Comprova-se matematicamente que a vida-média é o inverso da constante radioativa. → em cada 2300 átomos, um se desintegra em 1 ano. → os átomos de rádio-226, em média, devem durar 2300 anos antes de se desintegrarem.
Cinética das desintegrações • Meia-vida ou período de semidesintegração (t1/2 ou p): corresponde ao intervalo de tempo em que metade dos átomos radioativos de um material se desintegram.
Cinética das desintegrações Sendo assim, pode-se dizer que: Onde: X → nº de meias-vidas que se passaram. m → massa final da amostra m0 → massa inicial da amostra Para se determinar o tempo de desintegração basta analisarmos quantas meia vidas se passaram.
Cinética das desintegrações Representando graficamente a diminuição do número de átomos radioativos (devido à desintegração) em função do tempo, obtemos uma curva exponencial chamada curva de decaimento radioativo.
Cinética das desintegrações Experimentalmente, determina-se que a meia-vida dos átomos de um material radioativo equivale a 70% da vida-média desses átomos: sendo assim, para o rádio-226, por exemplo: Vm = 2300 anos t1/2 = 0,7 . 2300 = 1610 anos
Cinética das desintegrações A tabela a seguir mostra a meia-vida de alguns isótopos radioativos:
O uso da Radioatividade • Na industria No controle de produção, para verificar, por exemplo, a constância da espessura de chapas de aço, borracha, plásticos, etc.
O uso da Radioatividade O princípio anterior pode ser aplicado para medir o nível de um líquido num reservatório, como por exemplo, o nível de vidro ou aço derretido dentro de um forno. Na determinação de vazamentos em canalizações, oleodutos, etc.: ao líquido adiciona-se um radioisótopo; até vazamentos em canalizações subterrâneas podem ser descobertos por detectores montados em veículos que acompanham o trajeto da canalização. Na geração de energia elétrica através de baterias ou de usinas nucleares. Obs: A produção de energia elétrica pelos reatores nucleares é interessante, pois, comparando, podemos dizer que, enquanto 1g de carvão produz energia suficiente para manter acesa uma lâmpada de 200 W durante 1 min 1 g de urânio produz energia para iluminar uma cidade de 500.000 habitantes, durante 1h.
O uso da Radioatividade • Na química Em traçadores: um nuclídeo radioativo sofre as mesmas reações químicas e bioquímicas que seu isótopo não-radioativo, desse modo, podemos utilizar um isótopo radioativo para estudarmos os mecanismos das reações. O O || || CH3 ─ C ─ OH + HO*─ CH3 CH3 ─ C ─ O*─ CH3 + H2O
O uso da Radioatividade • Na medicina No tratamento de doenças como o câncer. No diagnóstico de doenças. O paciente recebe uma injeção ou uma dose oral contendo um radioisótopo de vida curta e radioatividade fraca, o radioisótopo é então absorvido pelo organismo e um detector capta as emissões provenientes do órgão ou tecido e produz, no computador, uma imagem. Desse modo fazemos um verdadeiro mapeamento do órgão ou tecido que se supõe doente sem ser necessária a realização de uma operação cirúrgica investigativa.
O uso da Radioatividade Cada elemento tem uma tendência natural para se acumular em um determinado órgão ou tecido, veja alguns exemplos: • O iodo-131, para a tireóide; • O mercúrio-197, para tumores cerebrais; • O fósforo-32, para câncer da pele; • O sódio-24, para obstruções do sistema circulatório; • O tálio-201, para o funcionamento do coração, etc.
O uso da Radioatividade • Na agricultura É comum o uso de traçadores para determinar a absorção, pelos vegetais, de fertilizantes, inseticidas e outros produtos. Além disso, por meio da irradiação, carnes e frutos podem ser esterilizados, ficando livres de fungos e bactérias, sendo assim, conservados por muito mais tempo.
O uso da Radioatividade • Na Geologia e arqueologia Certos radioisótopos são úteis para se determinar a idade (datação) de rochas, fósseis, etc. Os três métodos mais comuns são os baseados nas seguintes desintegrações: • de urânio-238: usado na datação de rochas; • de potássio-40: também usado para rochas; • de carbono-14: usado para fósseis, etc.
O uso da Radioatividade Embora tenha todas essas aplicações pacíficas citadas acima, a energia nuclear é perigosa e pode expor os seres vivos às suas ações nocivas, além de servir para construção de armas nucleares. Com isso percebemos a necessidade de se estabelecer normas rígidas para o uso da radioatividade. Pensando nisso criou-se uma Comissão Internacional de Radioproteção, uma instituição científica independente responsável pela regulamentação das atividades que envolvem o uso da energia nuclear. Esta comissão estabeleceu, em 1977, três princípios básicos, que devem ser obedecidos por todas as empresas ou instituições (públicas ou privadas), para garantir o desenvolvimento seguro dessas atividades.
O uso da Radioatividade O primeiro desses princípios é a “justificativa da prática”, isto é nenhuma atividade que envolva exposições à radiação deve ser realizada, a menos que gere benefícios, aos indivíduos expostos ou à sociedade. O segundo é a “otimização”, determina que para qualquer fonte de radiação, as doses individuais, o número de pessoas expostas e mesmo a eventualidade da ocorrência de exposições devem ser mantidos nos mais baixos níveis. O terceiro é a “limitação da dose”, que diz que a exposição de indivíduos deve obedecer a limites de doses ou a algum tipo de controle de risco, para assegurar que ninguém seja exposto a riscos considerados inaceitáveis.
