Aula 2 (Radioatividade)

Por Alexandre Lima

• O mecanismo dos decaimentos radioativos

Em um outro momento deste curso, estudamos de maneira geral a ocorrência de decaimentos radioativos e analisamos as circunstâncias que influenciam a estabilidade nuclear, favorecendo determinada modalidade de decaimento radioativo.

De um modo geral, tais decaimentos são processos irreversíveis cuja velocidade segue uma cinética química de primeira ordem. No tocante à velocidade de um decaimento radioativo, duas observações devem ser feitas em adição ao conteúdo ministrado nas aulas do curso de cinética química:

1. A velocidade do decaimento radioativo - isto é, a quantidade de emissões radioativas verificadas para um intervalo de tempo - é chamada de atividade radioativa e é proporcional ao número de nuclídeos presentes na amostra em análise a cada instante. Consequentemente, podemos calcular a atividade radioativa a cada instante como uma função da quantidade de matéria do isótopo radioativo em questão, isto é, $A$ = $\lambda$ $N_{isotopo}$
2. A constante radioativa, $\lambda$, é tecnicamente equivalente à constante de velocidade em uma reação genérica de primeira ordem, valendo uma ressalva: a constante radioativa não depende da temperatura do meio. Esse fato é qualitativamente compreensível: note que a importância da temperatura na velocidade de uma reação reflete a quantidade de matéria de reagentes que efetivamente alcança a energia de ativação do processo. Uma vez que a energia de ativação de decaimentos radioativos é extraordinariamente elevada, é improvável que variações de temperatura exequíveis na Terra afetem significativamente a velocidade de um decaimento radioativo.

De posse desses fatos, adquirimos uma noção satisfatória da cinética radioativa.

• Modalidades de decaimentos radioativos

Um nuclídeo instável - isto é, um nuclídeo localizado fora do cinturão de estabilidade estudado na aula 1 - poderá sofrer diversas formas de decaimento radioativo. O decaimento que efetivamente ocorre é aquele que conduz à formação de nuclídeos mais estáveis - seja aproximando a razão $\dfrac{n}{p}$ de 1, seja tornando $n$ ou $p$ um número mágico.

Seguem algumas das várias formas de decaimento radioativo observadas em núcleos de alta energia.

1. Decaimento $\gamma$. Na ocorrência desta modalidade de decaimento, emite-se a espécie $\gamma^0_0$, que virtualmente tem carga e massa nulas - embora esse não seja um fato absoluto, vide o Princípio da Dualidade, que garante que a espécie gama apresenta certo caráter de onda e certo caráter de partícula.
   Em decorrência de tais propriedades, a capacidade de penetração da radiação gama é muito grande - já que ela "não tem massa" -, enquanto seu poder ionizante é ínfimo - já que ela não tem carga. Consequência disso é que a radiação $\gamma$ atravessa facilmente a pele humana, mas, em relação a outras formas de radiação, gera poucos transtornos no organismo exposto à sua emissão - ionizando as biomoléculas do corpo humano de maneira moderada. (Figura 2 )
2. Decaimento $\alpha$. Quando um nuclídeo sofre decaimento alfa, emite-se a espécie $\alpha^4_2$, que, conforme a notação indica, é equivalente a um núcleo de Hélio 4, composto por 2 prótons e 2 nêutrons. Perceba que $\alpha^4_2$ ou $He^4_2$ é um nuclídeo "duplamente mágico", pois $n$ e $p$ são ambos iguais a um número mágico, 2.}
   O decaimento alfa, embora favorecido pela estabilidade de $\alpha^4_2$, demanda a compensação de muitas forças nucleares atrativas e, por isso, costuma ocorrer em nuclídeos muito massivos: o Urânio, por exemplo, é um emissor alfa, e foi a emissão de partículas alfa que Henri Becquerel observou ao verificar que determinado sal de uranila impressionava o filme fotográfico - ver Aula Zero deste curso. Plutônio, Netúnio e os demais elementos transurânicos de um modo geral também são exemplos representativos de emissores de radiação $\alpha$.
   Em relação a outras formas de radiação, a partícula alfa é bastante massiva - número de núcleons igual a 4 - e tem carga elevada - igual a +2e por núcleo -, o que explica duas de suas propriedades: a grande dificuldade de penetração e o elevadíssimo poder ionizante. Observe que, em decorrência dessas propriedades, a espécie $\alpha^4_2$ é capaz de provocar sérios danos ao organismo humano via ionização de biomoléculas, embora só possa penetrar o corpo humano através de orifícios desprotegidos.
3. Decaimento $\beta$. Nesta modalidade de decaimento radioativo, a partícula emitida, $\beta^0_{-1}$, é um elétron. O número atômico do nuclídeo emissor aumenta em 1 unidade, com seu número de núcleons mantido constante - veja, na figura 3, o exemplo do decaimento de $C^{14}$ a $N^{14}$.
   Em decaimentos beta, ocorre a divisão de um nêutron do nuclídeo em um próton e um elétron. Então, este é emitido pelo núcleo-pai, enquanto aquele, imóvel, permanece nele - daí o aumento do número atômico em 1 unidade.
   Observação: após um decaimento beta, $n_f = n_i$ -1 e $p_f = p_i$ +1. Daí, como o fenômeno envolve a diminuição da razão $\dfrac{n}{p}$, essa forma de decaimento é preferida por átomos de número atômico pequeno com excesso de nêutrons, como o próprio $C^{14}$.
   
   

Atente, agora, para um nuclídeo radioativo $F^{18}$. Como o isótopo mais estável de Flúor é $F^{19}$, deduz-se que esse nuclídeo é instabilizado por falta de nêutrons e, por isso, decairá para aumentar o valor de sua razão $\dfrac{n}{p}$.
Ocorre que, para um átomo pequeno e leve como o Flúor, a emissão alfa faz-se inviável. Como, então, decaem nuclídeos que não sejam muito pesados com razão $\dfrac{n}{p}$ pequena?

Existem duas opções plausíveis de decaimento radioativo nesse caso. Clique na caixa abaixo para ler a respeito.