Capitulo 2 - Noções de Física Nuclear

Transformações Nucleares

Existem vários tipos de transformações nucleares, mas as que nos interessam aqui são aquelas que ocorrem espontaneamente e constituem o principal fenômeno relacionado com a radioatividade natural. Este fenômeno, também denominado decaimento radioativo ocorre em núcleos pesados, cujas principais características são:

a densidade da matéria nuclear é constante;

as forças de interação próton-próton (p-p), nêutron-nêutron (n-n) e próton-nêutron (p-n) não são muito diferentes;

existe uma forte tendência para os núcleos apresentarem igual número de prótons e nêutrons. Como essa tendência é oposta à repulsão Coulombiana p-p, a conseqüência é que nos núcleos pesados sempre há um excesso de nêutrons, para garantir a coesão nuclear;

núcleos contendo números pares de prótons e de nêutrons são mais abundantes e mais estáveis do que núcleos contendo números ímpares de prótons ou nêutrons.

A instabilidade nuclear aumenta na mesma proporção do crescimento do número de núcleons, e pode originar decaimento radioativo e fissão nuclear. O decaimento radioativo é seguido pela emissão de três tipos de radiação:

partículas alfa, que são núcleos de hélio, ₂He⁴;

partículas beta, que são elétrons

raios gama, radiação eletromagnética tipo raios-X.

Os núcleos que apresentam este fenômeno foram denominados, por Marie Curie, radioativos. Curiosamente, não se tem notícia de decaimento com a emissão de prótons ou nêutrons.

O decaimento radioativo obedece a uma lei expoencial, do tipo

N=N₀e^-t/t,onde, N₀ é o número de átomos radioativos no instante t=0, e t é uma constante denominada vida média. Define-se a meia-vida do processo, t_1/2, o tempo necessário para que a quantidade de material radioativo reduza-se à metade. É fácil mostrar que t_1/2=tln2.

Na simulação abaixo, os pontos vermelhos representam núcleos atômicos idênticos, de modo que todos decaem de acordo com a mesma lei. A meia-vida desses núcleos pode ser escolhida no cursor abaixo do gráfico. Clique no botão "iniciar" e observe o decaimento. Visualmente, o decaimento é representado pelo desaparecimento dos pontos vermelhos. A lei do decaimento é representada na curva acima do cursor, enquanto o tempo decorrido é mostrado no canto superior direito. Repita a "experiência" para diferentes valores de meia-vida. A qualquer momento o processo pode ser interrompido; basta clicar no botão "reiniciar".

O inverso da vida média, g=1/t, é conhecida como constante de decaimento. Assim, outra forma de expressar a lei do decaimento radioativo é

N=N₀e^-gt

A atividade de uma substância radioativa é medida em termos do número de desintegrações (ou decaimentos) por segundo, cuja unidade é o curie. No sistema SI, 1 desintegração/s é definida como 1 Bq (Becquerel). Portanto,

1 Ci = 3.7 x 10¹⁰ desintegrações/s = 3.7 x 10¹⁰ Bq.O curie é a quantidade de radiação emitida por 1 g de rádio, o elemento químico descoberto por Marie Curie.

No início das descobertas dos fenômenos relacionados com a radioatividade, por volta de 1896, as principais dificuldades foram perceber que o fenômeno era espontâneo, e compreender a natureza das radiações resultantes. Foi Rutherford quem identificou os três tipos de radiação mencionados acima. Ele fez a radiação passar por uma região onde havia um campo magnético e descobriu que uma parte era desviada para um lado, outra parte era desviada para o lado oposto, e uma terceira parte não sofria qualquer desvio. Este resultado permitiu que ele concluísse que uma parte do feixe era constituída por partículas positivas, outra parte era constituída por partículas negativas, e a parte que não sofria desvio pela ação do campo magnético era algo do tipo raios-X, ou radiação eletromagnética (mostre como Rutherford concluiu que as partículas positivas eram ₂He⁴ e as negativas eram elétrons).

Quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu número atômico diminui em duas unidades. Por outro lado, no decaimento beta o número atômico cresce uma unidade. Portanto, o decaimento faz desaparecer um tipo de núcleo e surgir outro tipo. Ao final tem-se uma cadeia, iniciando com um núcleo radioativo e terminando em um núcleo estável (não radioativo).

A animação abaixo mostra, de forma bastante realista, este processo de decaimento para quatro núcleos radioativos: tório 232, urânio 235, urânio 238 e plutônio 241. Os números representam o número de massa. O processo pode ser interrompido e reinciado a qualquer momento; basta clicar no botão "iniciar/parar". Na janela à direita, são apresentados alguns detalhes do processo (meia-vida e quantidade de cada elemento da cadeia em cada momento). Clique no botão "seqüência" e veja a cadeia completa no gráfico número de nêutrons versus número atômico.