Aula 1 (Radioatividade)

Por Alexandre Lima

• Por que alguns núcleos são radioativos?

Núcleos de 118 elementos distintos já foram descobertos ou sintetizados na Terra e, para um dado elemento, pode haver vários núcleos com diferentes números de nêutrons. Seria, portanto, natural teorizar a existência de uma quantidade colossal de nuclídeos diferentes; tamanha riqueza de núcleos atômicos, porém, é limitada pela instabilidade de alguns nuclídeos hipotéticos.
Não existe, por exemplo, um nuclídeo $Po^{85}_{84}$ - ou seja, um átomo com 84 prótons e 1 único nêutron. Pensando em termos de radioatividade, ainda que esse nuclídeo fosse sintetizado, seria esperado que ele emitisse diversos pósitrons até estabilizar-se como um átomo com muito mais nêutrons e muito menos prótons.

Como se determina, então, a instabilidade de um núcleo? Em um núcleo que contiver mais de um próton, haverá repulsão eletrostática, que poderá ser contida por forças de atração intranucleares. Desse modo, as seguintes forças atuam em um núcleo atômico:

1. Forças eletrostáticas. São necessariamente repulsivas - uma vez que não há partículas de carga negativa no interior do núcleo - e se dão entre os prótons presentes no nuclídeo.
2. Forças intranucleares atrativas. Ocorrem através do compartilhamento de mésons, podendo unir um próton a um próton, um próton a um nêutron ou um nêutron a um nêutron.

Quanto mais prótons um núcleo atômico contiver, mais favorecida será a força eletrostática de repulsão, ao passo que a presença de nêutrons aumenta a relevância das forças atrativas. Dessa maneira, para cada número atômico há alguns valores de número de massa que permitem a estabilidade de um nuclídeo; a seguir, a representação do chamado "cinturão de estabilidade" apresenta as razões n/p capazes de estabilizar núcleos de cada elemento.

Observe que, para elementos de número atômico pequeno, os isótopos mais estáveis têm razão n/p próxima de 1. A título de ilustração, recordamo-nos de que são os isótopos mais estáveis de seus respectivos elementos: $Be_2^4$, $O_8^{16}$, $Si_{14}^{28}$. Essa generalização é adequada até o Cálcio, $Z$ = 20 - note que o Hidrogênio seria uma "exceção" perfeitamente compreensível, pois, como seus isótopos só têm um próton no núcleo, perde-se a necessidade de amenizar o efeito da repulsão elétrica, de modo que o prótio, o isótopo mais estável de Hidrogênio, não tem nêutrons.

Para núcleos mais pesados do que o de Cálcio, porém, a intensidade da repulsão eletrostática entre os prótons aumenta de tal maneira que os nêutrons devem superar os prótons em quantidade. Um exemplo da maior abundância relativa de nêutrons em nuclídeos de elementos de número atômico elevado é o $I_{53}^{127}$, único isótopo estável do Iodo.

O cinturão de estabilidade é de grande utilidade para o aluno olímpico, uma vez que sugere um valor razoável para a massa atômica de alguns elementos - bastando, para isso, que consideremos massa atômica aproximadamente igual à massa do isótopo mais estável. De agora em diante, por exemplo, você pode presumir com segurança que a massa atômica de elementos que antecedem o Cálcio seja próxima do dobro de seu número atômico.
Com a ilustração do cinturão de estabilidade, você deve ser capaz de estimar a massa molar do Estanho (Z=50). Confira a ilustração e chegue a uma conclusão.

• E como um núcleo instável emite radioatividade?

Quando, de algum modo, um nuclídeo se encontra fora do cinturão de estabilidade - sendo sua razão $\dfrac{n}{p}$ muito grande ou muito pequena -, ele tende a atingir um estado mais estável emitindo pequenas espécies: verifica-se, então, o fenômeno da Radioatividade. A emissão de partículas subnucleares é chamada decaimento radioativo.
Um nuclídeo radioativo é aquele que sofre decaimento radioativo - e, por extensão, um isótopo radioativo é aquele cujos nuclídeos sofrem decaimento radioativo.
Um elemento é radioativo se e somente se todos os seus isótopos são radioativos. Observação: embora $O^{18}$ seja radioativo, o Oxigênio não é um elemento radioativo, pois seu isótopo $O^{16}$ não é radioativo.

É possível estabelecer uma "hierarquia" entre os nuclídeos radioativos: informalmente - embora esse seja um informalismo amplamente aceito em Radioatividade -, pode-se afirmar que um nuclídeo é "mais radioativo" quanto mais rapidamente ocorrer seu decaimento.

Das diversas formas de radiação observadas, três merecem especial atenção neste estudo: $\alpha$, $\beta$ e $\gamma$.

1. A radiação $\alpha$ tem como elemento fundamental as partículas $\alpha$, que são núcleos de $He^4$, contendo dois prótons e dois nêutrons.
2. A radiação $\beta$ se dá através da emissão de partículas $\beta$, que são elétrons formados pela divisão de um nêutron no interior do nuclídeo em um próton e um elétron: enquanto o primeiro é mantido no núcleo, o segundo é emitido no decaimento.
3. A radiação $\gamma$ ordinariamente recebe tratamento de onda eletromagnética e também é emitida em decaimentos $\alpha$ e $\beta$, bem como em inúmeros outros.