O que significa radiação nuclear

Vamos partir do princípio e entender de onde vem a palavra "nuclear" em "radiação nuclear". Isso é algo que você já deve saber: todas as coisas são feitas de átomos. Os átomos se unem para formar as moléculas. Assim, uma molécula de água é feita de dois átomos de hidrogênio e um de oxigênio, ligados em uma unidade.

Por termos aprendido sobre átomos e moléculas no ensino fundamental, nos sentimos proficientes para falar deles. Na natureza, qualquer átomo encontrado será um dos 92 tipos existentes, também conhecidos como elementos. Cada substância na Terra (metal, plásticos, cabelo, roupas, folhas, vidro) é feita de combinações dos 92 átomos encontrados na natureza.

A tabela periódica dos elementos ( em inglês) que vemos nas aulas de Química é uma lista dos elementos encontrados na natureza, mais uma quantidade de elementos que podem ser produzidos pelo homem.

Dentro de cada átomo estão três partículas subatômicas: prótons, nêutrons e elétrons. Prótons e nêutrons unem-se para formar o núcleo do átomo, ao passo que os elétrons orbitam o núcleo. Elétrons são negativos e prótons são positivos e cargas opostas se atraem.

Na maioria dos casos, o número de elétrons e prótons em um átomo é o mesmo, tornando o átomo de carga neutra. Os nêutrons são neutros. Seu propósito no núcleo é manter os prótons unidos. Em função de todos os prótons terem a mesma carga e naturalmente repelirem um ao outro, os nêutrons servem de "cola" para manter os prótons firmemente ligados ao núcleo.

O número de prótons no núcleo determina o comportamento de um átomo. Por exemplo, se você combinar 13 prótons com 14 nêutrons para criar um núcleo e, então, fizer girar 13 elétrons em torno do núcleo, você obtém um átomo de alumínio. Se você agrupar milhões de átomos dessa maneira, obterá a substância chamada alumínio; com ela você pode criar latas, filmes e revestimentos.

Todo o alumínio que você encontra na natureza é chamado alumínio-27. "27" é o número de massa atômica (a soma do número de nêutrons e prótons no núcleo). Se você pudesse separar um átomo de alumínio, colocá-lo em uma garrafa e fazê-lo voltar vários milhões de anos, ele ainda seria um átomo de alumínio. O alumínio-27 é chamado de átomo estável. Até cerca de 100 anos, pensava-se que todos os átomos eram estáveis como ele.

Muitos átomos são encontrados em diferentes formas. Por exemplo, o cobre tem duas formas estáveis, o cobre-63, que compõe mais ou menos 70% de todo o cobre natural e cobre-65, perfazendo em torno de 30%.

Os dois são chamados isótopos. Os átomos de ambos os isótopos de cobre têm 29 prótons, mas o átomo de cobre-63 tem 34 nêutrons, enquanto o átomo de cobre-65 tem 36 nêutrons. Os dois isótopos agem e parecem iguais e ambos são estáveis.

O que não sabíamos, até aproximadamente 100 anos atrás, é que certos elementos têm isótopos radioativos. Em alguns elementos, todos os isótopos são radioativos. O hidrogênio é um bom exemplo de um elemento com múltiplos isótopos, um dos quais é radioativo.

O hidrogênio normal ou hidrogênio-1, tem um próton e nenhum nêutron; há apenas um próton no núcleo, assim não há necessidade de efeitos de ligação dos nêutrons. Existe outro isótopo, hidrogênio-2, também conhecido como deutério, que tem um próton e um nêutron.

O deutério é muito raro na natureza (compondo aproximadamente 0,015% de todo hidrogênio) e embora ele aja como o hidrogênio-1 (por exemplo, pode-se fazer água a partir do deutério) é bastante diferente pelo fato de ser tóxico em concentrações altas. O isótopo deutério de hidrogênio é estável.

Um terceiro isótopo, o hidrogênio-3 (conhecido como trítio), possui 1 próton e 2 nêutrons. Esse isótopo é instável, isto é, se você tivesse um container cheio de trítio e voltasse em um milhão de anos, descobriria que tudo se transformou em hélio-3 (2 prótons, 1 nêutron), que é estável. O processo pelo qual ele se transforma em hélio é chamado decaimento radioativo.

Certos elementos são naturalmente radioativos em todos os seus isótopos. O urânio é o melhor desses exemplos e é o elemento radioativo mais pesado que existe na natureza.

Existem outros 8 elementos naturalmente radioativos: polônio, astato, radônio, frâncio, rádio, actínio, tório e protactínio. Todos os outros elementos feitos pelo homem mais pesados que o urânio são também radioativos.

Decaimento radioativo

O decaimento radioativo é um processo natural. Um átomo de isótopo radioativo irá espontaneamente se decair em outro elemento através de três processos comuns:

- decaimento alfa

- decaimento beta

- fissão espontânea

No processo, quatro diferentes tipos de raios radioativos são produzidos:

- raios alfa

- raios beta

raios de nêutrons

O amerício-241, um elemento radioativo bem conhecido por seu uso em detectores de fumaça é um bom exemplo de um elemento que sofre a decaimento alfa. O átomo de amerício-241 emitirá espontaneamente uma partícula alfa.

A partícula alfa é formada de 2 prótons e 2 nêutrons ligados, o que é equivalente ao núcleo do hélio-4. No processo de emissão da partícula alfa, o átomo do amerício-241 se transforma em um átomo de netúnio-237. A partícula alfa sai de cena a uma velocidade alta, talvez 16 mil km/s.

Ao analisar um átomo individual de amerício-241, é impossível prever quando ele irá eliminar a partícula alfa. Entretanto, num grupo grande de átomos de amerício, a taxa de decaimento pode se tornar bastante previsível. Sabe-se que metade dos átomos de amerício-241 decaem em 458 anos.

Portanto, a meia-vida do amerício-241 é 458 anos. Cada elemento radioativo tem uma meia-vida diferente, variando desde frações de um segundo a milhões de anos, dependendo do isótopo específico. Por exemplo, o amerício-243 tem uma meia-vida de 7.370 anos.

O trítio (hidrogênio-3) é um bom exemplo de elemento que sofre a decaimento beta. No decaimento beta, um nêutron do núcleo transforma-se espontaneamente em um próton, um elétron e uma terceira partícula denominada antineutrino.

O núcleo expele o elétron e o antineutrino, enquanto o próton permanece no núcleo. O elétron ejetado é chamado de partícula beta. O núcleo perde um nêutron e ganha um próton. Portanto, um átomo de hidrogênio-3, que sofre o decaimento beta, se torna um átomo de hélio-3.

Na fissão espontânea, um átomo, na verdade, se divide em vez de eliminar uma partícula alfa ou beta. A palavra "fissão" significa "divisão". Um átomo pesado como férmio-256 sofre fissão espontânea em cerca de 97% das vezes que ele decai e, no processo, se transforma em 2 átomos.

Por exemplo, um átomo de férmio-256 pode se tornar um átomo de xenônio-140 e um átomo de paládio-112 e no processo irá eliminar 4 nêutrons, conhecidos como "nêutrons imediatos", porque são ejetados no momento da fissão. Esses nêutrons podem ser absorvidos por outros átomos, causando reações nucleares, tais como decaimento ou fissão ou como bolas de sinuca, podem colidir com outros átomos e causar a emissão de raios gama.

A radiação com nêutron pode ser usada para transformar átomos não-radioativos em radioativos. Isso tem aplicações práticas na medicina nuclear. A radiação com nêutron também é feita nos reatores nucleares das usinas de energia, navios nucleares e aceleradores de partículas, aparelhos usados para estudar a física subatômica.

Em muitos casos, um núcleo que sofreu decaimento alfa, beta ou uma fissão espontânea, estará bastante energizado e, portanto, será instável. Ele eliminará sua energia extra na forma de um pulso eletromagnético conhecido como raio gama. Raios gama são parecidos com raios-X na maneira como penetram a matéria; porém, têm mais energia. Raios gama são feitos de energia e não de partículas em movimento como as alfa e beta.

Existem ainda os raios cósmicos, que bombardeiam a Terra o tempo todo. Esses raios têm origem no Sol e também em astros que explodem, como as estrelas. A maioria dos raios cósmicos (talvez 85%) são prótons, viajando próximos da velocidade da luz, enquanto talvez 12% sejam partículas alfa viajando também muito rapidamente, é a velocidade dessas partículas que lhes dá a habilidade de penetrar a matéria.

Quando chegam à atmosfera, elas colidem com átomos de várias maneiras, gerando raios cósmicos secundários que têm menos energia. Estes raios cósmicos secundários então colidem com outras coisas na Terra, incluindo seres humanos.

Nós somos atingidos por raios cósmicos secundários todo o tempo, mas não somos afetados porque esses raios secundários têm energia mais baixa que os raios primários. Os raios cósmicos primários são um perigo para os astronautas no espaço.

Um perigo natural

Embora eles sejam naturais, no sentido que os átomos radioativos se decompõem naturalmente e os elementos radioativos são parte da natureza, todas as emissões radioativas são perigosas para os seres vivos. Partículas alfa, partículas beta, nêutrons, raios gama e raios cósmicos são todos conhecidos como radiação ionizante.

Quando esses raios interagem com um átomo eles podem arrancar um de seus elétrons orbitais. A perda de elétrons pode causar todo tipo de problema, desde morte celular a mutações genéticas (que podem levar ao câncer), em qualquer ser vivo.

Em virtude das partículas alfa serem grandes, elas não podem penetrar muito fundo na matéria. Não conseguem penetrar numa folha de papel, por exemplo; assim, quando estão fora do corpo humano, são inofensivas. Entretanto, se você comer ou inalar átomos que emitem partículas alfa, elas podem causar um grande dano ao seu organismo.

As partícula beta penetram um pouco mais profundamente, mas da mesma forma, são perigosas apenas se inaladas ou ingeridas; partículas beta podem ser detidas por uma filme de alumínio ou vidro plástico. Raios gama, como os raios-X, são detidos pelo chumbo.

Os nêutrons, porque lhes falta carga, penetram muito profundamente, e são barrados mais eficientemente por grossas camadas de concreto, ou líquidos como água ou óleo combustível. Os raios gama e os nêutrons, em razão de serem tão penetrantes, podem ter efeitos severos nas células humanas e de animais.

Você pode ter em algum momento ouvido falar de um dispositivo nuclear chamado bomba de nêutrons. Todo o conceito dessa bomba gira em torno de otimizar a produção de nêutrons e raios gama para que tenha o máximo efeito sobre os seres vivos.

Como vimos, a radioatividade é natural e todos nós possuímos algum tipo de radiação em nosso corpo, como o isótopo radioativo carbono-14, por exemplo. Existe, todavia, uma quantidade de elementos nucleares que foram manipulados pelo homem, e que podem ser benéficos ou prejudiciais.

Do mesmo modo que a radiação nuclear nos auxilia em fatores importantes, tais como a geração de eletricidade, ou a detecção e tratamento de doenças na medicina, ela também nos expõe a perigos significativos.

A radioatividade (AO 1945: radioactividade) (também chamado no Brasil de radiatividade) é um fenômeno natural ou artificial, pelo qual algumas substâncias ou elementos químicos, chamados radioativos, são capazes de emitir radiações, as quais têm a propriedade de impressionar placas fotográficas, ionizar gases, produzir fluorescência, atravessar corpos opacos à luz ordinária, etc. As radiações emitidas pelas substâncias radioativas são principalmente partículas alfa, partículas beta e raios gama. A radioatividade é uma forma de energia nuclear, usada em medicina (radioterapia), e consiste no fato de alguns átomos como os do urânio, rádio e tório serem “instáveis”, perdendo constantemente partículas alfa, beta e gama (raios-X). O urânio, por exemplo, tem 92 prótons, porém através dos séculos vai perdendo-os na forma de radiações, até terminar em chumbo, com 82 prótons estáveis.

A radioatividade pode ser:

• Radioatividade natural ou espontânea: É a que se manifesta nos elementos radioativos e nos isótopos que se encontram na natureza e poluem o meio ambiente.
• Radioatividade artificial ou induzida: É aquela que é provocada por transformações nucleares artificiais.

• Radioatividade artificial

  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 descoberta pelo casal “Joliot-Curie” (Frédéric Joliot e Irène Joliot-Curie), bombardeando núcleos de boro e alumínio com partículas alfa. 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.

  Classes de radiação

  Comprovou-se que a radiação pode ser de três classes diferentes:

  Radiação alfa

  São fluxos de partículas carregadas positivamente, compostas por 2 nêutrons e 2 prótons (núcleo de hélio). São desviadas por campos elétricos e magnéticos. São muito ionizantes porém pouco penetrantes. Quando um radioisótopo (que possui núcleo instável) emite uma partícula alfa, seu número de massa (A) diminui 4 unidades e o seu nº atômico diminui 2 unidades.

  Foi observada pela primeira vez por Ernest Rutheford em 1898.

  Radiação beta

  São fluxos de partículas originárias do núcleo, fato este que as distingue dos elétrons. Estas partículas tem a mesma natureza dos eletrons orbitais, e são resultantes da desintegração de nêutrons do núcleo (ver "Leis de Soddy e Fajans" abaixo para uma melhor interpretação de "desintegração"). É desviada por campos elétricos e magnéticos. É mais penetrante porém menos ionizante que a radiação alfa. Quando um radioisótopo emite uma partícula beta, o valor de sua massa não muda, e seu nº atômico aumenta em 1 unidade.

  Radiação gama

  São ondas eletromagnéticas. Não apresenta carga elétrica e não é afetada pelos campos elétricos e magnéticos. É uma radiação muito perigosa aos organismos vivos. Com o recebimento da Radiação Gama, pode-se alterar o material genético da pessoa, fazendo com que seus filhos tenham alta possibilidade de nascerem cegos, surdos, mudos ou com algum outro tipo de deficiência.

  Leis de Soddy e Fajans

  As leis da desintegração radioactiva, descritas por Soddy e Fajans, são:

  Quando um átomo radioactivo emite uma partícula alfa, o número de massa do átomo resultante diminui em 4 unidades e o número atômico em 2 unidades.

  Quando o átomo radioactivo emite uma partícula beta, o número de massa do átomo resultante não varia e o seu número atômico aumenta em 1 unidade.

  Quando um núcleo "excitado" emite uma radiação gama não ocorre variação no seu número de massa e número atômico, porém ocorre uma perda de uma quantidade de energia "hν".

  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.

  Leis da Radioatividade

• 1ª Lei- quando um átomo emite uma partícula alfa, seu numero atômico diminui de duas unidades e sua massa atômica de quatro unidades.
• 2ª Lei- quando um átomo emite uma partícula beta, seu número atômico aumenta de uma unidade.

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.