Radiação na Atualidade - Teoria

SEQUÊNCIA DIDÁTICA
CIÊNCIA E RESPONSABILIDADE – A RADIAÇÃO
NA ATUALIDADE
Autores – Marcial de Carvalho Dias
Fabio Fereira Rodrigues
Thiago Augusto Cardoso
Fernando Augusto
n°USP 3463573
n° USP 3607164
n° USP 5127268
n° USP 5642670
Semestre – 1/2009
TEORIA
- Estrutura da matéria e Radiação Eletromagnética
Modelos Atômicos: Thomson e Rutherford
Para os gregos haveria um ponto da matéria no qual, se a dividissem
indefinidamente, teriam que parar pois seria a menor divisão que poderiam obter. Hoje
sabemos que a matéria consiste de partículas inimaginavelmente pequenas. A menor
partícula que pode existir de um elemento é chamada átomo.
O primeiro argumento convincente para átomos foi feito em 1807 pelo professor e
químico inglês John Dalton. Realizou inúmeros experimentos que o levaram a
desenvolver a sua hipótese atômica:
- Todos os átomos de um dado elemento são idênticos;
- Os átomos de diferentes elementos têm massas diferentes;
- Um composto é uma combinação específica de átomos de mais de um elemento.
- Em uma reação química, os átomos não são criados nem destruídos, mas trocam
de parceiros para produzir novas substâncias.
Dalton representou os átomos como se fossem esferas do tipo de uma bola de
bilhar. Hoje sabemos que os átomos têm uma estrutura interna: eles são construídos por
partículas subatômicas menores.
A primeira evidência experimental da estrutura interna dos átomos foi a descoberta,
em Thomson estava investigando os raios catódicos, que são emitidos quando uma alta
diferença de potencial (uma alta tensão) é aplicada entre dois eletrodos (contatos
metálicos) em um tubo de vidro sob vácuo. Thomson mostrou que os raios catódicos
eram feixes das partículas carregadas negativamente. Eles provêm dos átomos que
constituem o eletrodo carregado negativamente, que é chamado de cátodo. Ele encontrou
que as partículas carregadas eram as mesmas, independente do metal usado para o
cátodo. Concluiu que eram parte de todos os átomos. Estas partículas foram chamadas
de elétrons.
Thomson sugeriu um modelo de átomo como uma bolha positivamente carregada,
de material gelatinoso, com elétrons suspensos nela, como passas em um pudim.
Entretanto, este modelo foi derrubado em 1908 por um experimento simples. Ernest
Rutherford estava treinando alguns de seus estudantes para usarem peças novas de um
equipamento. Ele sabia que alguns elementos, incluindo o radônio, emitiam feixes de
partículas carregadas positivamente, que ele chamou de partículas alfa. Ele pediu a dois
estudantes, Hans Geiger e Ernest Marsden, para atirarem partículas alfa contra um
pedaço de folha de platina de somente uns poucos átomos de espessura. Se os átomos
fossem de fato como bolhas de geléia carregadas positivamente, então as partículas alfa
deveriam passar facilmente através da folha, com alguma ligeira deflexão ocasional de
seus caminhos.
O que Geiger e Marsden observaram, perturbou a todos à sua volta. Embora quase
todas as partículas alfa tivessem passado e defletido semente um pouco, cerca de 1 em
20.000 foi defletida de 90o, e umas poucas retornaram na direção em que tinham vindo.
“Isto é quase incrível”, disse Rutherford, “é como se você tivesse atirado uma bomba de
15 polegadas em um tecido de papel e ela voltasse acertando você”.
A explicação tinha que ser a que os átomos não têm bolhas de geléia
positivamente carregadas com os elétrons suspensos como passas em um pudim. Ao
invés disso, os resultados sugerem um modelo de átomo no qual há uma densa carga
positiva central circundada por um grande volume de espaço vazio. Rutherford chamou
esta região carregada positivamente de núcleo atômico. Ele considerou que uma partícula
alfa carregada positivamente tivesse atingido o núcleo pesado de platina, tivesse sido
fortemente repelida por sua carga positiva e defletida em um ângulo grande, como uma
bolinha de pingue-pongue atingindo uma bala de canhão pesada.
De acordo com o modelo nuclear corrente do átomo, os elétrons estão espalhados
no espaço em torno do núcleo. Se o núcleo de um átomo tiver o tamanho de uma mosca
no centro de um campo de futebol, então o espaço ocupado pela vizinhança eletrônica
deve ser aproximadamente do tamanho do estádio inteiro de futebol.
A carga positiva do núcleo cancela exatamente a carga negativa da vizinhança
eletrônica. O número de prótons em um núcleo atômico é chamado de número atômico,
Z, do elemento.
Os avanços tecnológicos na eletrônica, no início do século XX, levaram à invenção
do espectrômetro de massa, um aparelho para a determinação da massa de um átomo. A
observação das diferenças de massa entre os átomos de um elemento ajudou os
cientistas a refinar o ainda novo modelo nuclear. Eles perceberam que o núcleo atômico
deveria conter outras partículas subatômicas além dos prótons e propuseram que também
conteria partículas eletricamente neutras chamadas nêutrons.
O Modelo Atômico de Bohr
O modelo proposto por Rutherford como sendo um modelo planetário foi combatido
na época, pois a física sabia que uma partícula carregada, quando em movimento
acelerado, libera energia.
O elétron, sendo uma partícula com carga negativa girando ao redor do núcleo,
deveria perder energia e acabaria por cair no núcleo.
Elétrons ao redor do núcleo, como planetas ao redor do Sol.
A questão foi resolvida elegantemente por Niels Bohr, então com 28 anos. Esse
físico dinamarquês propôs um modelo atômico em que aplicava conceitos da teoria
quântica, mostrando que a mecânica de Newton não era conveniente para o estudo do
comportamento de elétrons.
O modelo de Bohr aproveitava algumas idéias do átomo planetário:
- o átomo teria um núcleo positivo;
- os elétrons negativos girariam ao redor do núcleo.
E ainda acrescentava:
- os elétrons girariam em órbitas bem definidas, nas quais teriam energia
constante;
- um elétron não assumiria qualquer valor de energia, mas determinados valores
correspondentes às diversas órbitas permitidas; assim, teria determinados níveis de
energia;
- quando um elétron recebesse energia suficiente, saltaria para uma órbita mais
energética;
- se retornasse para uma órbita menos energética, o elétron perderia a diferença de
energia correspondente, na forma de ondas eletromagnéticas.
Modelo do átomo de Bohr para o hidrogênio: níveis
energéticos dos elétrons em um átomo de hidrogênio
O modelo do átomo de Bohr explica bem o comportamento do átomo de hidrogênio
e do átomo de hélio ionizado, mas é insuficiente para átomos com mais de um elétron.
Segue abaixo um desenvolvimento do modelo de Bohr que demonstra os níveis de
energia no hidrogênio.
Sejam as seguintes convenções:
1. Todas as partículas são como ondas e, assim, o comprimento de onda do
elétron, λ, está relacionado à sua velocidade por
onde h é a constante de Plank e me, a massa do elétron. Bohr não tinha levantado
esta hipótese porque só depois é que foi proposto o conceito associado a esta afirmação
(dualidade onda-partícula). Porém, permite chegar na próxima afirmação.
2. A circunferência da órbita do elétron deve ser um múltiplo inteiro de seu
comprimento de onda:
onde r é o raio da órbita do elétron e n, um número inteiro positivo.
3. O elétron mantém-se em órbita por forças eletrostáticas. Isto é, a força
eletrostática é igual à força centrípeta:
onde
e qe, a carga elétrica do elétron.
Temos três equações e três incógnitas: v, λ e r. Depois de manipulações algébricas
para obter v em função das outras variáveis, pode-se substituir as soluções na equação
da energia total do elétron:
Pelo teorema do virial, a energia total simplifica-se para
Ou, depois de substituídos os valores das constantes,
Assim, o menor nível de energia do hidrogênio (n = 1) é cerca de -13.6 eV. O
próximo nível de energia (n = 2) é -3.4 eV. O terceiro (n = 3), -1.51 eV, e assim por diante.
Note que estas energias são menores que zero, o que significa que o elétron está em um
estado de ligação com o próton presente no núcleo. Estados de energia positiva
correspondem ao átomo ionizado, no qual o elétron não está mais ligado, mas em um
estado desagregado.
O modelo atômico de bohr, pode ser facilmente usado para a composição do
modelo atômico de Linus Pauling. Apenas somando as camadas e as colocando na
ordem de Pauling.
- Aplicação de experimento virtual (átomo de hidrogênio)
Espectros eletromagnéticos
Espectro electromagnético é o intervalo completo da radiação eletromagnética,
que contém desde as ondas de rádio, as microondas, o infravermelho, a luz visível, os
raios ultravioleta, os raios X, até aos raios gama.
Uma carga em repouso à sua volta um campo que se estende até o infinito. Se
esta carga for acelerada haverá uma variação do campo elétrico no tempo, que irá induzir
um campo magnético também variável no tempo (estes dois campos são perpendiculares
entre si). Em conjunto eles constituem uma onda eletromagnética (a direcção de
propagação da onda é perpendicular às direções de propagação dos campos que a
constituem). Uma onda eletromagnética propaga-se mesmo no vácuo.
Maxwell concluiu que a luz visível é constituida por ondas electromagnéticas, em
tudo análogas às restantes, com a única diferença na frequência e no comprimento de
onda.
De acordo com a frequência e no comprimento de onda das ondas
eletromagnéticas pode-se definir um espectro com várias zonas (podendo haver alguma
sobreposição entre elas).
Diagrama ilustrando o espectro magnético desde as ondas de rádio até aos raios gama.
As partículas fundamentais
Por Roberto A. Salmeron - USP
Chamam-se partículas fundamentais às partículas constituintes do átomo
(antigamente eram chamadas partículas elementares; mas, depois se descobriu
que várias delas podem se desdobrar em duas ou mais partículas, isto é, não são
elementares).
Atualmente conhece-se onze partículas fundamentais cuja existência está definitivamente
comprovada. Além dessas, há várias que foram descobertas recentemente e cujas
propriedades são muito mal conhecidas. As onze partículas são:
- elétron, ou negatron;
- próton ;
- nêutron;
- pósitron, ou elétron positivo;
- neutrino;
- méson leve positivo;
- méson leve negativo;
- méson pesado positivo;
- méson pesado negativo;
- méson pesado neutro;
- fóton.
1.Elétron ou Negatron
Já se suspeitava da existência do elétron na segunda metade do século passado. Mas, a
sua existência foi definitivamente comprovada só em 1897, por J.J. Thomson.
O elétron é uma partícula que possui carga elétrica negativa, cujo valor absoluto se
representa por e. Vale: -e = -4,8024 . 10-10ues CGSq. É a menor carga elétrica que existe
isolada na natureza.
Sua massa é muito pequena. Em unidades de massa atômica, vale: 0,00054862
u.m.a. (veja o tópico "Unidades de Massa Atômica"). Em gramas, 9,11 . 1028gramas. É
aproximadamente 1/1837 da massa do átomo de hidrogênio. Já viu-se que um feixe de
elétrons emitidos numa ampola de Crookes é chamado raio catódico. Os elétrons são
emitidos pelas substâncias radioativas; e nesse caso são chamados raios beta. Os
elétrons emitidos pelas substâncias radioativas têm esse nome porque, quando os raios
beta foram descobertos não se sabia que eram elétrons.
2. Próton
A existência de uma partícula com carga positiva foi evidenciada pela primeira vez
quando, em 1886, Goldestein descobriu os raios positivos. A prova definitiva da existência
do próton foi dada em 1919 por Rutherford. O próton é o núcleo do átomo de hidrogênio.
É uma partícula de carga elétrica +e, isto é, de mesmo valor absoluto que a carga do
elétron, mas, positiva. Pelo fato de ter carga elétrica, êle é desviado nos campos elétricos
e magnéticos. Sua massa é 1,007582 em unidades de massa atômica, e 1,67248 . 1024gramas. É cerca de 1837 vezes mais pesado que o elétron. Entra na formação do
núcleo, havendo tantos prótons no núcleo quantos são os elétrons das órbitas, isto é, um
número igual ao número atômico Z.
3. Nêutron
Sua descoberta é atribuída a Chadwick, em 1932, embora essa descoberta tenha
sido feita com apoio em trabalhos dos físicos Bothe, Becker e do casal Irene Curie –
Frederic Joliot. É uma partícula neutra. E, não tendo carga elétrica, não é desviado em
campos elétricos, nem em campos magnéticos, o que dificulta a sua observação. Pelo
fato de não ter carga elétrica ele penetra na matéria com relativa facilidade, porque, sendo
neutro, não é repelido pelas cargas elétricas dos átomos da substância em que está
penetrando. Por causa disso faz-se “bombardeamento” de átomos com neutrons.
É a partícula mais pesada que conhecemos. Sua massa é 1,008930 em unidades de
massa atômica, e 1,67472 . 10-24gramas. É um pouco mais pesada que o átomo de
hidrogênio (some a massa do próton com a do elétron, e verifique que essa soma é
menor que a massa do neutron). Durante algum tempo se pensou que o neutron fosse
uma reunião de um próton com um elétron. Depois foi demonstrado que isso não é
verdade. O neutron é uma partícula independente. Uma das provas disso é que a massa
do neutron é maior que a soma das massas do próton e do elétron.
4.Positron ou elétron positivo
Foi descoberto em 1932 por Carl D. Anderson. O pósitron é um elétron positivo,
isto é, tem a mesma massa que o elétron, e carga elétrica de mesmo valor absoluto, mas,
positiva. Por causa disso, foi proposto que se desse o nome de negatron ao oelétron; mas
esse nome e pouco usado. Tendo carga elétrica é desviado em campos elétricos e
magnéticos; e como sua carga é positiva êle é desviado sempre em sentido oposto ao do
elétron.
O pósitron é uma partícula que é criada e destruída constantemente nos átomos.
Tem vida muito curta: da ordem de milionésimos de segundo. Por isso a sua observação
é muito difícil.
5.Neutrino
Viu-se acima que chamam-se partículas beta os elétrons emitidos pelas substâncias
radioativas. Estudando matematicamente essa emissão de partículas beta, os físicos
chegaram a um resultado que não puderam aceitar. Pois concluíram que nesse fenômeno
não vale o princípio da conservação da energia, que é um princípio considerado geral,
válido para todos os fenômenos físicos. Para poder manter o princípio da conservação da
energia na emissão de partículas beta, tiveram de admitir que, quando uma partícula beta
é emitida, juntamente com ela deve ser emitida uma outra partícula. Essa partícula deve
ter as seguintes características:
1º) deve ser neutra;
2º) deve ter massa menor que a do elétron.
Por isso ela foi chamada neutrino (que em italiano significa neutronzinho).
Já foram realizadas diversas experiências em que indiretamente ficou provado que o
neutrino existe. Mas ainda não foi possível realizar-se nenhuma experiência em que o
neutrino fosse observado diretamente, pois a pequena massa e a ausência de carga
elétrica dificultam a observação.
6.Fóton
Em 1905, Einstein, estudando certos fenômenos em que intervém a luz, concluiu
que para explicá-los não basta considerar a luz como ondas eletromagnéticas. Além disso
é preciso admitir que essas ondas eletromagnéticas se propaguem por grupos, isto é, por
pacotes. Esses pacotes de onda se comportam como se fossem partículas materiais. São
chamados fótons.
7. Os Mesons
Mesons leves
Em 1935, o físico Yukawa, estudando matematicamente como se deve processar o
equilíbrio entre os neutrons e os prótons no núcleo dos átomos, concluiu o seguinte: para
se explicar esse equilíbrio, deve-se admitir a existência de uma outra partícula. Concluiu
matematicamente que essa partícula deve ter carga elétrica, e deve ter massa
intermediária entre a do próton e a do elétron (daí o nome méson). No ano seguinte os
físicos Carl D. Anderson e Neddermeyer comprovaram experimentalmente a existência da
partícula (uma nota: este Anderson é o mesmo Anderson que em 1932 descobriu o
pósitron). Eles verificaram mais o seguinte:
1º) que esses mésons têm massa aproximadamente igual a 212 vezes a massa do
elétron;
2º) que têm carga elétrica de valor absoluto igual à do elétron;
3º) que existem dois mésons com essa massa: um com carga positiva +e; outro
com carga negativa -e.
Esses mésons são os que hoje chamamos mésons leves: o méson leve positivo e
o méson leve negativo.
Mesons pesados ou mesons pi
Em 1947 os físicos Cesar Lattes, Ochialini e Powell descobriram mais dois mésons. São
partículas que têm as seguintes características:
1º) massa aproximadamente igual a 300 vezes a massa do elétron (daí o nome de
mésons pesados, porque são mais pesados que os descobertos por Anderson e
Neddermeyer).
2º) um têm carga elétrica +e, outro têm -e.
Até 1948 esses quatro mésons só eram observados em raios cósmicos, isto é, chegados
à superfície da Terra através da atmosfera. Nesse ano, o físico brasileiro Cesar Lattes
juntamente com o americano Eugene Gardner conseguiu pela primeira vez produzir
mésons no laboratório; isto é, conseguiu produção artificial de mésons.
Mesons neutro
Tem massa de mesma ordem de grandeza que a dos mésons pesados, e não tem carga
elétrica. Suas propriedades são muito mal conhecidas.
- Radiação Particulada
A descoberta da Radioatividade
No dia 20 de janeiro de 1896, Antoine Henri Becquerel (1852-1908) tomava
conhecimento da descoberta dos raios X pelo físico Wilhelm Conrad Röntgen (18451923). Físico francês da terceira geração da família Becquerel, tinha muito interesse na
fosforescência e na fluorescência dos materiais. Estes termos, fosforescência e
fluorescência, não são sinônimos. Na fluorescência a emissão luminosa ocorre enquanto
houver estímulo, a absorção e a emissão ocorrem rapidamente. Na fosforescência,
mesmo cessado o estímulo, haverá a emissão, pois o processo de emissão é mais lento
que na fluorescência. Becquerel imaginou se havia uma relação entre raios X e a
fluorescência, ou seja, se algumas substâncias fluorescentes poderiam emitir raios X
espontaneamente.
Depois de descobrir que muitos elementos não produziam qualquer efeito, passou
a utilizar materiais fosforescentes. Ele utilizou sulfato de potássio e urânio, sal de urânio
que era conhecido por suas propriedades fosforescentes. Cobriu uma chapa fotográfica
com duas folhas de papel escuro grosso, tão grosso que a chapa não ficou manchada ao
ser exposta ao Sol durante um dia inteiro. Colocou sobre o papel uma camada da
substância fosforescente e para ativar a fosforescência do sal de urânio, e expôs tudo ao
Sol por várias horas. Quando revelou a chapa fotográfica, percebeu a silhueta da
substância fosforescente em escuro sobre o negativo. Concluiu que a substância emitia
radiações capazes de atravessar a folha de papel opaca à luz. Tudo se passava como se
o sal de urânio emitisse raios X. Em 24 de fevereiro de 1896, Henri Becquerel fez um
relatório de sua experiência e apresentou à Academia de Ciências em Paris. No entanto,
em 2 de março, Becquerel anunciava aos seus pares da academia algo mais
extraordinário. Durante a semana havia tentado repetir a experiência, preparando uma
nova placa fotográfica enrolada no papel e no sal de urânio. Aconteceu que o tempo havia
piorado e ele ficou impossibilitado de realizar a exposição ao Sol. Então guardou o
conjunto numa gaveta à espera de melhores dias. Na véspera da seção da academia,
como o tempo permaneceu encoberto, decidiu, mesmo assim, revelar as placas,
esperando encontrar o negativo em branco. Para sua surpresa os negativos mostravam
uma mancha de grande intensidade. Conclui que o sal de urânio emitia raios capazes de
atravessar o papel preto, quer tivesse sido exposto ou não ao Sol. Sem dúvida, alguma
emissão desconhecida estava saindo do sal, atravessando o papel e chegando até a
chapa fotográfica. Essas emissões foram chamadas de raios de Becquerel.
A essa altura, um casal de cientistas iniciava suas investigações sobre a
radioatividade em Paris, estudando vários minérios, uma vez que Henri Becquerel
focalizou suas pesquisas somente no urânio. Marie Sklodowska Curie (1867-1934),
polonesa, e seu marido francês Pierre Curie (1859-1906), após analisar vários compostos
de urânio, verificaram a constatação de Becquerel, confirmando que a emissão de raios é
uma propriedade do elemento urânio e assim, decidiram examinar todos os elementos
conhecidos. Descobriram que também o tório emitia raios semelhantes aos do urânio.
Nesse ponto, depois de descobrirem que o urânio não era o único elemento a emitir
radiação espontaneamente, Marie decidiu então, analisar todos os minérios naturais e
para sua surpresa um mineral de urânio (uranita) era três ou quatro vezes mais radioativo
do que se esperava. Desta forma concluiu que um elemento extremamente radioativo
deveria existir enquanto impureza nesse minério. Depois de um longo e exaustivo
trabalho, em julho de 1898, Marie com a ajuda de seu marido Pierre, conseguiu isolar a
impureza e perceberam que se tratava de um novo elemento, que designaram de polônio,
em homenagem ao país de origem de Marie, a Polônia. Ao aprimorar mais os seus
métodos de purificação da uranita, o casal Curie, acabou por encontrar, em setembro
desse mesmo ano, um elemento altamente radioativo que recebeu o nome de rádio.
Marie propôs a palavra Radioatividade para esse fenômeno.
Por esses feitos, Marie recebeu dois prêmios Nobel, um de Química e outro de
Física. Infelizmente, foi uma das primeiras vítimas dos efeitos da radiação, assim como
todos aqueles que se dedicaram ao estudo dos fenômenos da radioatividade no mesmo
período.
Assim, comprovou-se que um núcleo muito energético, por ter excesso de
partículas ou de carga, tende a estabilizar-se, emitindo algumas partículas.
Portanto a radioatividade ou radiatividade é a capacidade que alguns elementos
fisicamente instáveis possuem de emitir energia sob forma de partículas ou radiação
eletromagnética.
- Decaimento e meia vida
A priori decaimento radioativo é simplesmente a desintegração de um núcleo
através da emissão de energia em forma de radiação. A radiação é um tipo de emissão
de energia que pode se propagar por meio de partículas (radiação corpuscular) ou por
meio de ondas eletromagnéticas (radiação eletromagnética).
Scheweidler em 1905 estabeleceu a lei capaz de reger os fenômenos radioativos
baseado em hipóteses probabilísticas.
Determinou a lei da desintegração radioativa admitindo que:
1 - A desintegração é um processo probabilístico;
2 - A probabilidade de um átomo radioativo se desintegrar é igual para todos os
átomos de uma mesma espécie;
3 - A desintegração ou não independe de sua vida anterior;
4 - Probabilidade de se desintegrar em um Δt muito pequeno é proporciona a ele
p= λ Δt
Portanto:
q = 1 - λ Δt (probabilidade de não se desintegrar)
λ: constante de desintegração: probabilidade de um átomo se desintegrar em um
intervalo
de tempo pequeno.
Vamos supor que em um instante qualquer T0 = 0 tenhamos N0 átomos.
Chamaremos de λ a probabilidade de que um destes átomos se desintegre na
unidade de tempo, característica de cada elemento, também denominada constante de
desintegração.
Em um instante T > To teremos N átomos radioativos.
Portanto, o número provável de átomos a se desintegrar na unidade de tempo será:
λ.N.
Sendo, a fração de átomos que desaparecem dN, temos:
dN = - λ N dt ⇒ N = No e -λ t
- dN/dt = λ N → velocidade de desintegração = atividade da amostra radioativa.
Na qual a lei do decaimento radioativo é uma função que descreve quantos núcleos
radioativos existem numa amostra a partir do conhecimento do número inicial de núcleos
radioativos e da taxa de decaimento. É obtida a partir da hipótese de que o número dN de
núcleos que decaem num intervalo de tempo dt é proporcional ao número de núcleos
radioativos existentes e ao próprio intervalo dt.
E um método muito utilizado de decaimento é o do carbono-14, para fazer a
datação de materiais muito antigos a partir do decaimento do carbono-12.
Como é criado o carbono 14
Todos os dias, raios cósmicos entram na atmosfera terrestre em grandes
quantidades. Para se ter um exemplo, cada pessoa é atingida por cerca de meio milhão
de raios cósmicos a cada hora. Não é nada raro um raio cósmico colidir em outro átomo
na atmosfera e criar um raio cósmico secundário na forma de um nêutron energizado, e
que esses nêutrons energizados, por sua vez, acabem colidindo com átomos de
nitrogênio. Quando o nêutron colide, um átomo de nitrogênio 14 (com sete prótons e sete
nêutrons) se transforma em um átomo de carbono 14 (seis prótons e oito nêutrons) e um
átomo de hidrogênio (um próton e nenhum nêutron). O carbono 14 é radioativo e tem
meia-vida de cerca de 5.700 anos.
Carbono 14 nos seres vivos
Os átomos de carbono 14 criados por raios cósmicos combinam-se com oxigênio
para formar dióxido de carbono, que as plantas absorvem naturalmente e incorporam a
suas fibras por meio da fotossíntese. Como os animais e humanos comem plantas,
acabam ingerindo o carbono 14 também. A relação de carbono normal (carbono 12) pela
de carbono 14 no ar e em todos os seres vivos mantém-se constante durante quase todo
o tempo. Talvez um em cada trilhão de átomos de carbono seja um átomo de carbono 14.
Os átomos de carbono 14 estão sempre decaindo, mas são substituídos por novos
átomos de carbono 14, sempre em uma taxa constante. Nesse momento, seu corpo tem
certa porcentagem de átomos de carbono 14 nele, e todas as plantas e animais vivos têm
a mesma porcentagem que você.
Decaimento alfa
É uma forma de decaimento radioativo que ocorre quando um núcleo instável
(natural ou produzido artificialmente), em geral pesado, onde a repulsão eletrostática
entre os prótons no núcleo é muito grande, e emite uma partícula uma partícula alfa
transformando-se em dois prótons e dois nêutrons, ou seja, por um núcleo de Hélio. As
partículas alfa são emitidas sempre com a mesma energia. O (238U) urânio-238, urânio235 (235U), plutônio-239 (239Pu) e o paládio-231 (231Pa) são exemplos de emissores
alfa.
Por exemplo:
que também pode ser escrito assim:
A partícula alfa é um núcleo de um átomo de hélio. Portanto, a partícula alfa ou
“raio alfa’’ é um íon de carga 2+ com dois nêutrons e dois prótons, representado por
4He2+. As particulas alfa possibilitaram um novo tipo de investigação da matéria, ao
serem usadas como projéteis submicroscópicos.
As partículas alfa apresentam grande poder de penetração nos materiais devido a
sua elevada velocidade que é de, aproximadamente, 20.000 km/s. Por isso, podem
provocar sérios danos aos tecidos dos organismos vivos. No entanto, seu poder de
penetração é inferior ao da partícula beta, dos raios-X e dos raios gama.
Decaimento beta
Feixes de elétrons também são obtidos através do decaimento de núcleos
atômicos excitados. Assim, as partículas beta são partículas carregadas negativamente
(elétrons) emitidas pelo núcleo. Como a massa do elétron é uma pequeníssima fração de
uma unidade de massa atômica, a massa do núcleo que sofre decaimento beta é alterada
somente por uma quantidade muito pequena. O número de massa do núcleo não é
alterado. O núcleo não contém elétrons. O elétron emitido no decaimento beta
corresponde na verdade à transmutação de um nêutron em um próton, dentro do núcleo.
Neste processo, é criada também outra partícula, o neutrino, que não tendo carga e
interagindo muito fracamente com a matéria, passa normalmente despercebida. No
decaimento beta, o número de prótons no núcleo é aumentado de uma unidade, enquanto
que o de nêutrons diminui de uma unidade.
Num núcleo estável, o nêutron não decai. Um nêutron livre, ou um em um núcleo
que tem muito mais nêutrons do que prótons, pode decair emitindo uma partícula beta e
um neutrino. O neutrino, não tem carga e tem massa praticamente nula, mas carrega uma
apreciável quantidade de energia e de momento. A pequena diminuição da massa
atômica no decaimento é novamente a fonte de energia cinética das partículas emitidas.
Estrôncio-90 (90Sr), tecnécio-99 (99Tc) e cálcio-45 (45Ca) são exemplos de fontes
de radiação beta.
Pela qual no decaimento β−, um neutron é convertido num próton, com emissão de
um elétron e de um elétron do tipo antineutrino (a antipartícula do neutrino):
E no decaimento β+, um próton é convertido num neutron, com a emissão de um
posítron e de um eléctron do tipo neutrino:
Decaimento gama
Raios gama são um tipo de radiação eletromagnética que resulta de uma
redistribuição das cargas elétricas em um núcleo e consiste de quanta ou pacotes de
energia transmitidos em forma de um movimento ondulatório. Um raio gama é um fóton
de alta energia emitido pelo núcleo atômico.
A única coisa que distingue um raio gama dos f'ótons de luz visível emitidos por
uma lâmpada é o comprimento de onda. O comprimento de onda de um um raio gama é
centenas de milhares de vezer menor que o da luz visível (e portanto a frequência é
centenas de milhares de vezes maior!) Para núcleos complexos de elementos pesados,
há inúmeras diferentes possibilidades em que os protons podem se rearanjar dentro do
núcleo. Raios gamas podem ser emitidos quando há uma mudança de uma configuração
para outra. Nem o número de massa nem o número atômico de um núcleo se alteram
quando um raio gama é emitido. Entretanto, a massa do núcleo também aqui sofre uma
pequena diminuição, sendo convertida na energia do fóton.
- Aplicação de experimento prático (“dadinhos”)
- Tipos de radiação e aplicações
Radiações Não-Ionizantes
As radiações de freqüência igual ou menor que a da luz (abaixo, portanto, de
(luz violeta)) são chamadas de radiações não ionizantes. Geralmente a faixa
de freqüência mais baixa do UV (UV-A ou UV próximo) também é considerada não
ionizante ainda que ela e até mesmo a luz pode ionizar alguns átomos.
Elas não alteram o átomo mas ainda assim, algumas, podem causar problemas de
saúde. Está demonstrado, por exemplo, que as microondas podem causar, além de
queimaduras, danos ao sistema reprodutor. Existem também estudos sobre danos
causados pelas radiações dos monitores de computador CRT (Cathode Ray Tube, Tubo
de Raios Catódicos) por radiações emitidas além da radiação emitida por telefones
celulares, radiofreqüências, e até da rede de distribuição de 60Hz.
~8x1014Hz
Mecanismo de ação no corpo humano
A radiação não ionizante é absorvida por várias partes celulares, mais o maior
dano ocorre nos ácidos nucléicos, que sofrem alteração de suas pirimidas. Formam-se
dímeros de pirimida e se estes permanecem (não ocorre reativação), a réplica do DNA
pode ser inibida ou podem ocorrer mutações.
Texto: Como funciona o Forno de Microondas?
Por Vanks Estevão
O forno de microondas funciona transformando energia elétrica em energia
térmica. Uma fonte elétrica emite ondas eletromagnéticas que aumentam a energia
cinética de vibração das moléculas de água dos alimentos. Sabemos que a temperatura é
um número que expressa o estado de agitação das partículas, logo, aumentando a
vibração (ou estado de agitação) das moléculas, aumentamos a temperatura do corpo.
O Forno de microondas foi inventado pelo engenheiro Percy Lebaron Spencer e
começou a ser utilizada em 1946. O componente mais importante do forno de microondas
é o magnetron, um equipamento que utiliza a vibração de elétrons para gerar um campo
magnético. Sabe-se que um campo elétrico variável produz um campo magnético variável
inverso.
As ondas eletromagnéticas atravessam vidro, cerâmica, plástico, papel e outras
estruturas. Mas, as moléculas de água absorvem a energia dessas ondas na freqüência
de 2450 MHz, gerando uma vibração na mesma freqüência gerada pelo magnetron. Estas
ondas penetram até 5 cm na superfície dos alimentos, e o calor então é transmitido por
condução.
O corpo humano é constituído em sua grande parte por água, então devemos lembrar
alguns cuidados com o forno microondas. O mais importante é ter certeza que a radiação
não está vazando, pois pode ser bem prejudicial. Apesar do aparelho ser blindado, ou
seja, ele é projetado para que as ondas eletromagnéticas não atravessem suas paredes,
é importante fazer alguns testes quando se tem a dúvida. Para isso coloque uma laranja
na parte de cima do forno microondas quando for utilizá-lo, faça isso colocando a fruta
próxima a porta também e deixe-a por um tempo. Se a fruta apresentar alterações (como
por exemplo partes com aspecto queimado ou ferido) significa que seu forno microondas
está vazando.
Radiações Ionizantes
A radiação ionizante, também chamada de radiação nuclear, tem esse nome por
possuir energia suficiente para ejetar elétrons dos átomos. Os hospitais usam radiação
nuclear para destruir tecidos indesejáveis, tais como células cancerosas. O mesmo efeito
poderoso que ajuda no diagnóstico e na cura de doenças pode também provocar danos
em tecidos sadios. O dano depende da intensidade da fonte, do tipo de radiação e do
tempo de exposição.
Os efeitos biológicos da radiação
Os três principais tipos de radiação nuclear penetram na matéria em diferentes
graus. A tabela a seguir resume o poder de penetração de cada tipo.
Radiação Poder relativo de penetração Proteção requerida
α
1
papel, pele
β
100
3mm de alumínio
γ
10.000
concreto, chumbo
As partículas alfa, relativamente pesadas e altamente carregadas, interagem tão
fortemente com a matéria que elas diminuem a velocidade, capturam elétrons da matéria
circundante e provocam modificações no volumoso átomo de hélio antes de viajar muito
longe. Elas penetram somente na primeira camada da pele e podem ser freadas mesmo
por uma folha de papel. A maioria da radiação alfa é absorvida pela superfície da camada
da pele morta, na qual ela pode causar um pequeno dano. Porém, se as partículas alfa
são inaladas ou ingeridas, podem ser extremamente perigosas. A energia de seu impacto
pode arrancar átomos de moléculas, os quais podem dar origem a sérias doenças e
causar a morte. Por exemplo o plutônio pode tomar o lugar do ferro no corpo e ser
absorvido pelos ossos, podendo destruir a habilidade do corpo de produzir células
vermelhas do sangue. Os resultados são doenças causadas pela radiação como o câncer
ou mesmo a morte.
A radiação beta é a segunda em poder de penetração. Estes elétrons rápidos
podem penetrar por volta de 1cm no corpo antes que as interações eletrostáticas com os
elétrons e o núcleo de moléculas as levem ao repouso.
De todas, a radiação gama é a mais penetrante. Os fótons de raios gama de alta
energia podem atravessar edifícios e corpos, e causar danos pela ionização de moléculas
em sua trajetória. As moléculas de proteínas e DNA têm sido danificadas dessa forma e
perdem sua função, e o resultado pode ser o câncer e outras doenças. Fontes intensas de
raios gama devem ser blindadas por construção com tijolos de chumbo, ou por uma
camada espessa de concreto para absorver esta radiação penetrante.
Medicina Nuclear
Os radioisótopos são isótopos radioativos. Eles são usados, não somente para a
cura de doenças, mas também para preservar alimentos, no acompanhamento de
mecanismos das reações, na energia de naves espaciais e também para localizar nossas
fontes de água.
Os raios X em medicina foram uma das primeiras aplicações de radioisótopos. Em
1914, os feridos na I Guerra Mundial foram levados para hospitais em Paris. Marie Curie
transformou um carro Renault na primeira unidade radiológica móvel e o dirigiu de
hospital para hospital. Os radioisótopos são hoje largamente utilizados na medicina para
diagnósticos, estudo e tratamento de doenças.
A física nuclear transformou os diagnósticos médicos. O impacto mais dramático
dos radioisótopos no diagnóstico tem sido no campo da imagem.
A tomografia por emissão de pósitrons (PET – positron emission tomography) faz
uso de um emissor de pósitrons para conseguir imagens de tecido humano em um grau
de detalhes que não são possíveis com raios X. Um equipamento para imagens PET
precisa estar próximo a um ciclotron, de forma que os emissores de pósitrons possam ser
rapidamente incorporados aos compostos desejados tão logo tenham sido criados.
Várias espécies de terapia para câncer utilizam radiação para destruir células
malignas.
Ressonância Magnética de Imagem
A Ressonância Magnética de Imagem (RMI) é uma técnica estrutural não-invasiva
para sistemas complexos de moléculas, como pessoas. Na sua forma mais simples, a
RMI retrata a concentração de prótons em uma amostra. Se a amostra – que pode ser um
corpo humano vivo – é exposta a um campo magnético uniforme em um espectrômetro de
Ressonância Magnética Nuclear e se trabalhamos com uma resolução que não mostre
qualquer deslocamento químico ou estrutura fina, então os prótons dão origem a uma
linha de ressonância em freqüências diferentes, de acordo com suas localizações no
campo. Mais ainda, a intensidade da ressonância em um dado campo será proporcional
ao número de prótons na localização espacial correspondente ao valor particular do
campo. Se o gradiente de campo for girado em diferentes orientações, outro retrato da
concentração de prótons ao longo da amostra é obtido. Após várias medidas da
intensidade de absorção como estas, os dados podem ser analisados em um computador,
que constrói uma imagem bidimensional de qualquer seção ao longo da amostra. Uma
grande vantagem da RMI sobre os raios X é que o paciente é exposto apenas a radiação
de radiofreqüência, de modo que o dano causado pelos raios X é evitado. Adicionalmente,
tumores invisíveis aos raios X podem ser detectados.
Outra vantagem é que, com RMI, uma “fatia” do corpo pode ser vista sem
interferência de estruturas na frente ou atrás dela. Se uma série de “fatias” é obtida, elas
podem mesmo ser montadas em uma imagem tridimensional, que fornece uma imagem
muito mais nítida do que é possível com os raios X.
Bibliografia:
Atkins, Peter; Jones, Loretta. Princípios de química: questionando a vida moderna e o
meio ambiente. Editora Bookman.
www.wikipedia.org.br
Usberco, João; Lembo, Antônio; Carvalho, Geraldo Camargo de. Apostila anglo de
química – Livro 01. Editora Anglo.
http://www.passeiweb.com/na_ponta_lingua/sala_de_aula/quimica/atomistica/constituicao
_da_materia/2_const_mat_part_fund_avogrado
http://www.efeitojoule.com/2008/09/como-funciona-forno-microondas.html
Livro das escolas associadas Pueri Domus “radiações, materiais, átomos e núcleos”.
Autores: Luis Carlos Menezes e Osvaldo Canato Junior;
www.cefetsc.edu.br