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Radioatividade e Física Nuclear
1) Conceituar Radiação;
2) Aplicar Radiação;
3) Explicar os efeitos da Radiação;
4) Definir Átomo;
5) Descrever algumas propriedades dos
6) Átomos;
7) Definir Átomo de Hidrogênio;
8) Definir Raio-X;
9) Definir Núcleo;
10) Descrever algumas propriedades do
nucleo;
11) Definir Decaimento Radioativo, Alfa e Beta.
RADIOATIVIDADE
E
FÍSICA NUCLEAR
O começo...
1895 – Wilhelm Conrad Roengten descobre a radiação X
1896 – Antoine Henri Bequerel descobriu que
determinado material (sais de urânio) emitia radiações
espontâneas – radioatividade natural
Em 1898 o casal Curie descobre o elemento radioativo
Polônio e, em 1903, o Rádio
Em 1899 Ernest Rutherford constatou que as radiações
provenientes destes elementos eram de 3 espécies
diferentes, as quais denominou de: alfa, beta e gama.
Em 1960 surgi a ultra-sonografia que passa a ser usado
como diagnóstico.
Em 1970 Godfrey (britânico) e Comack (Africa do Sul)
desenvolveram a tomografia computadorizada (TC). Por
esse feito receberam o Prêmio Nobel (1979)
RADIAÇÕES IONIZANTES
• Fenômeno pelo qual a energia é transportada através do
espaço em forma de raios.
• São consideradas Radiações Ionizantes aquelas que
possuem energia suficiente para atravessar a matéria e
remover elétrons, ionizando os átomos e moléculas.
• Essa radiação é normalmente dividida em dois grupos:
1- Radiação Corpuscular: é um feixe formado por
partículas subatômicas (elétrons, prótons, nêutrons, etc)
quando atingem alta velocidade. Por Ex. emissão alfa ou
beta de um elemento radioativo. Possui massa e
velocidade sendo calculada por: E =1/2. m.v2.
2- Radiação Eletromagnética: consiste de pacotes de
energia transmitidos em forma de movimento ondulatório.
Por ex. Ondas de rádio, luz visível, Raios X. Não possui
massa
• Entende-se por Radiações Eletromagnéticas a todas
radiações que possuem oscilações elétricas e magnéticas;
são ondas que viajam numa velocidade e diferem somente
no comprimento de suas ondas (λ).
• As radiações corpuscular e eletromagnética solucionam
uma série de problemas.
• A refração: quando uma onda se propaga passando de um
meio para outro, ela sofrerá uma mudança de velocidade e
direção de propagação.
• Difração: é a propriedade que a onda possui de contornar o
obstáculo e se propagar. Quanto maior o comprimento da
onda, mais fácil será sua difração, já que em alguns casos
de ondas muito pequenas, elas provavelmente não
conseguirão se difratar.
• Polarização: a polarização de uma onda eletromagnética é
o plano no qual se encontra a componente ELÉTRICA
desta onda.
• Aplicações: 1ª- Pesquisa: laboratórios de pesquisa,
aceleradores de partículas e de reatores nucleares são
utilizados para descobrir novas partículas, conhecer
melhor a estrutura de compostos químicos, o metabolismo
de certos alimentos e na produção de fontes de radiações
ionizantes.
2ª- Medicina: Isótopos(átomos que possuem a mesma
quantidade de prótons, mas não a mesma de neutrons)
radioativos são utilizados no tratamento de doenças e em
pesquisa médica e biológicas. São utilizados na pesquisa
de metabolismo de certos alimentos, no diagnóstico e
tratamento de doenças. Ex. os raios-x identificam,
localizam e combatem doenças.
3ª- Indústria: detecção de impurezas, desgastes, pesquisa
de corrosão e difusão de metais. Emprego dos raios-x
industrial na verificação de falhas em estrutura metálicas e
identificação de soldas defeituosas.
• Radioatividade: propriedade que os núcleos atômicos possuem de
emitir partículas e radiações eletromagnéticas para se transformarem
em outros núcleos. Este fenômeno espontâneo é denominado de
desintegração radioativa ou reação de decaimento.
• O processo radioativo é uma alteração de caráter subatômico
processando-se no interior do átomo (menor partícula que ainda
caracteriza um elemento químico), em seus núcleos instáveis (
elementos de número atômico >82 -chumbo), desintegrando-se e
transformando-se em elementos radioativos (filhos) emitindo radiações
penetrante. Esses filhos podem ter o mesmo processo até seus núcleos
ficarem estáveis (elementos de número atômico <82, menos os
isótopos radioativos – Ru-RUTÊNIO,Sn-ESTANHO, Lu-LUTÉCIO etc.).
• A radiação corpuscular é constituída de partículas eletrizadas positivas:
raios Alfa e Beta mais e negativas: Beta menos. Essas radiações não
ocorrem simultaneamente num mesmo elemento, porém as radiações
Gama vem sempre acompanhadas de uma radiação Alfa ou Beta. Os
raios Beta menos, são originados quando um núcleo aumenta seu peso
atômico em uma unidade, porém seu número de massa não se altera,
admitindo-se que um nêutron se transforma num próton. Os prótons e
os nêutrons são chamados “núcleons”. Cada nuclídeo é constituído do
símbolo do elemento, no. atômico e do no. de massa
• RAIOS-X: É a radiação decorrente de choque de elétrons em alta
velocidade com qualquer tipo de matéria. São ondas eletromagnéticas,
como os raios Gama, diferem quanto à origem: Gama, origina-se de
dentro do núcleo atômico e o Raio-X, de fora. Características iguais.
• Características do Raios-X: propagação retilínea – dentro de 20Kev a
400Kev, não podem se acelerados ou desviados por campos
magnéticos ou eletrostáticos; movimentam-se em linhas retas no vácuo;
no ar de pouca densidade, uma pequena porção do pacote interagem
com as moléculas do ar; atravessam um corpo tanto melhor quanto for
sua energia; ionizam gases; exercem efeitos biológicos; saem em linha
reta da pista focal do ânodo(pólo negativo de uma fonte eletrolítica) para
todas as direções, etc.
• RAIOS GAMA: em muitos casos, após a emissão da partícula pelo
núcleo, o processo radioativo se completa, mas, em outros casos, o
núcleo filho permanece energizado, podendo emitir o excesso de
energia em forma de fótons chamados “Raios Gama, que são de
natureza eletromagnética, como os raios-X. Os raios Gama por serem
mais penetrante do que os raios Alfa e Beta, são menos ionizantes. A
capacidade de ionização é inversamente proporcional a penetração.
• RAIOS ALFA E BETA: surgem da desintegração radioativa do núcleo
do átomo
• Partículas Alfa são de carga positiva e de massa muito maior quanto a
dos elétrons. São núcleos atômico de Hélio, constituídos por 2 prótons
e 2 nêutrons. A distância percorrida por uma partícula Alfa até parar é
denominada de ALCANCE. Essas partículas são produzidas
principalmente nos decaimentos de elementos pesados como o Urânio,
Rádio, etc. Usualmente são acompanhadas por radiação Beta e Gama.
• Partícula Beta ocorre nos núcleos que têm excesso, ou falha, de
nêutrons para ter estabilidade. Na desintegração Beta, o número de
massa não se altera, enquanto o número atômico ou aumenta ou
diminui de uma unidade, (β+) ou (β-) respectivamente.
β+: O núcleo apresenta um excesso de prótons em relação ao número de
nêutrons podendo alcançar estabilidade pela conversão de um próton
em um nêutron e uma partícula beta positiva.
β-: Núcleos que possuem um excesso de nêutrons podem alcançar a
estabilidade pela conversão de um nêutron em um próton e uma
partícula beta negativa
• BIOIMAGEM: apresenta um setor constituído por vários serviços de
diagnóstico. Existem diversas formas e aparelhos na obtenção de
imagens de partes do corpo, órgãos e sistemas do paciente que irão
ajudar num diagnóstico mais preciso.
• Ultra-som e a Ressonância Magnética não emitem ou utilizam
Radiação Ionizante, contudo, os Tomógrafos Computadorizados,
mamógrafos e aparelhos de raios-X convencionais, sim.
• A Medicina Nuclear obtém as imagens utilizando radioisótopos como
fontes de radiação onde o aparelho irá captar esta radiação que foi
introduzida no organismo do paciente formando assim as imagens.
• Na tomografia computadorizada, a imagem é formada por meio do
processamento das informações obtidas pelos detectores dispostos ao
redor do paciente, que captam a radiação emitida pelo conjunto de
ampolas, após a interação com o paciente. Essa informação é
transformada em impulso elétrico e transmitida ao computador, que
processa os dados e forma a imagem. Um corte termográfico é
representado na tela do monitor por pontos bidimensionais chamados
pixels.
• Os raios-X ao penetrarem no corpo humano,
dependendo da
intensidade dos tecidos que penetram (ossos, gorduras, líquidos), são
absorvidos em maior ou menor intensidade. Além disso, o número
atômico dos elementos químicos também determina o grau de absorção
dos raios-X, sendo os de maior número atômico melhores
absorvedores. Por exemplo, os ossos diminuem intensamente os raiosX em virtude do elemento Cálcio neles contidos.
• Tomografia Computadorizada (TC) com técnica Helicoidal ou Espiral: é
uma revolução do exame tomográfico em que o tubo de raios-X
desenvolve movimento em espiral ao redor do paciente, e a emissão
dos raios-X e o movimento da mesa ocorrem ao mesmo tempo. Esse
exame (pode ser usado em um episódio de apnéia ou mais)
proporcionou uma grande melhora na qualidade de imagens e no
rendimento diagnóstico. Essas imagens podem ser reconstruídas em
diferentes planos ou em uma única imagem tridimensional.
• Efeitos da Radiação: estamos expostas à radiação de fontes naturais
em decorrência de gases radioativos (radônio) presentes na atmosfera.
A dose média de radiação natural é de 2,4 mSv por ano (milésimos de
Siervet, unidade que mede os efeitos biológicos da radiação). Para
comparar, em torno de Fukushima-1, o governo informou que o nível de
radiação alcançou 0,6 mSv por hora.
Radiação
Com a utilização de
um campo magnético,
foram identificados
três tipos de radiação
emitida por elementos
radioativos: a partícula
, a partícula  e a
radiação .
Partícula alfa
É constituída por 2 prótons e 2 nêutrons (núcleo
de hélio).
Quando um núcleo emite uma partícula alfa, seu
número atômico fica reduzido de duas unidades, e
seu número de massa, de quatro unidades.
O urânio-238 é um emissor alfa. Com a emissão
de uma partícula alfa, o urânio-238 transforma-se
no elemento tório-234.
Normalmente provocam ionização no meio com o
qual interagem e apresentam baixo poder de
penetração – uma folha de papel pode blindar.
Partícula beta
Pode ser um elétron ou um pósitron (partícula
elementar que possui a mesma massa do elétron,
mas carga elétrica positiva).
No decaimento beta negativo, o número atômico
aumenta de uma unidade e no decaimento beta
positivo, o número atômico diminui de uma
unidade – em ambos os casos o número de massa
não é alterado.
Produz menos ionização que a partícula alfa, logo,
apresenta o poder de penetração muito maior.
Raios gama
Os raios gama são ondas eletromagnéticas.
Quando um núcleo emite uma radiação
gama, o número atômico e o número de
massa não sofrem alteração
Não possuem massa e são extremamente
energéticos.
Tem alto poder de ionização e são muito
penetrantes.
Raios X
Em 1895, Wilhelm Conrad Roengten, usando um
tubo com vácuo, um filamento incandescente e
alta voltagem, acelerou os elétrons emitidos do
filamento.
Ao atingir a tela do tubo, grande parte da energia
desses elétrons era transformada em energia
térmica, mas uma parte se transformava em
energia radiante.
A radiação emitida, muito mais penetrante do que
a luz, não era percebida pelo olho humano, mas
podia sensibilizar uma chapa fotográfica.
Primeira radiografia, da mão
da esposa de Roentgen, com
seu anel de casamento.
Radiações x saúde
Partículas alfa – em relação ao tecido humano,
sua penetração é de décimos de centímetros, não
constituindo riscos para a saúde. Mas a ingestão
ou a inalação de partículas alfa podem acarretar
sérios problemas à saúde.
Partículas beta – em relação ao tecido humano,
os efeitos se limitam à pele. À semelhança das
partículas alfa, quando ingeridas, as partículas beta
são extremamente perigosas.
Raios
X
–
Permite
importantes
diagnósticos médicos.
A exposição excessiva aos raios X é
danosa aos tecidos humanos. Pode
provocar lesões, manchas de pele e até
câncer.
Raios gama – São muito utilizados no
combate ao câncer, pois podem destruir
células com má formação.
A interação dos raios gama com os tecidos
humanos
pode
provocar
mutações
celulares.
Capacidade de penetração
• O átomo é formado por um núcleo de carga elétrica positiva, entorno
das quais se movimentam partículas de massa muito pequenas e
negativamente eletrizadas: os elétrons. No núcleo há dois tipos de
partículas: prótons, que são eletricamente positivos, e nêutrons, que
não tem carga elétrica. Há tantos elétrons quantos são os prótons.
• Modelo de Dalton
• Em 1803, John Dalton acreditava que a matéria seria constituída por
átomos indivisíveis e espaços vazios. Ele imaginou o átomo como
uma pequena esfera, com massa definida e propriedades
características. Dessa forma, todas as transformações químicas
podiam ser explicadas pelo arranjo de átomos. Toda matéria é
constituída por átomos. Esses são as menores partículas que a
constituem; são indivisíveis e indestrutíveis, e não podem ser
transformados em outros, nem mesmo durante os fenômenos
químicos. Os átomos de um mesmo elemento químico são idênticos
em massa e se comportam igualmente em transformações químicas.
As transformações químicas ocorrem por separação e união de
átomos. Isto é, os átomos de uma substância que estão combinados
de um certo modo, separam-se, unindo-se novamente de uma outra
maneira.
• O modelo atômico de Thomson
• O modelo atômico do "pudim de passas" de Thomson
• O britânico Joseph John Thonmson descobriu os elétrons em 1897 por
meio de experimentos envolvendo raios catódicos em tubos de crookes
(tubo em forma de ampola que contém apenas vácuo e um dispositivo
elétrico que faz os elétrons de qualquer material condutor saltar e formar
feixes, que são os próprios raios catódicos). Ele, ao estudar os raios
catódicos, descobriu que estes são afetados por campos elétrico e
magnético, e deduziu que a deflexão dos raios catódicos por estes
campos são desvios de trajetória de partículas muito pequenas de carga
negativa, os elétrons.
• Thomson propos que o átomo era, portanto, divisível, em partículas
carregadas positiva e negativamente, contrariando as idéias anteriores.
O átomo consistiria de vários elétrons incrustados e embebidos em uma
grande partícula positiva, como passas em um pudim. O modelo atômico
do "pudim com passas" permaneceu em voga até a descoberta do
núcleo atômico por Ernest Rtherford.
• O modelo atômico de Rutherford
• Em 1911, realizando experiências de bombardeio de lâminas de ouro
com partículas alfa (partículas de carga positiva, liberadas por
elementos radioativos), Rutherford chegou às seguintes conclusões:
• No átomo existem espaços vazios; a maioria das partículas o
atravessava sem sofrer nenhum desvio.
• No centro do átomo existe um núcleo muito pequeno e denso;
algumas partículas alfa colidiam com esse núcleo e voltavam, sem
atravessar a lâmina.
• O núcleo tem carga elétrica positiva; as partículas alfa que passavam
perto dele eram repelidas e, por isso, sofriam desvio em sua trajetória.
• Pelo modelo atômico de Rutherford, o átomo é constituído por um
núcleo central, dotado de cargas elétricas positivas (prótons),
envolvido por uma nuvem de cargas elétricas negativas (elétrons).
• Rutherford demonstrou, ainda, que praticamente toda a massa do
átomo fica concentrada na pequena região do núcleo.
• Niels Bohr, completou o modelo de Rutherford dizendo que: os
elétrons giravam em órbitas circulares, ao redor do núcleo. Com isso
ceiou o que hoje é chamado modelo planetário.
FÍSICA NUCLEAR
FISSÃO E FUSÃO
Força nuclear forte – força de curtíssimo
alcance, mas que, dentro do seu raio de ação, é
muito mais intensa que a gravitacional e a
eletromagnética.
Quando um nêutron atinge o átomo, a ligação se
rompe, o núcleo se divide em dois, libera radiação
e calor.
Nas reações que envolvem núcleos, as
transformações de massa em energia e vice-versa
estão sempre presentes.
Fissão nuclear
A fissão nuclear é uma reação em que um
núcleo, geralmente pesado, se fragmenta
depois de ser atingido por um nêutron,
liberando grande quantidade de energia.
Na fissão novos nêutrons são liberados e
vão provocar a fissão de outros núcleos; e
assim sucessivamente, estabelecendo uma
reação em cadeia.
A fissão nuclear libera grande quantidade
de energia. Se for descontrolada, a reação
será explosiva; é o que acontece nas bombas
atômicas.
Num reator nuclear, a reação em cadeia é
controlada com o uso de barras de
substâncias moderadoras, como, por
exemplo, a grafite.
Reator nuclear
Lixo atômico
Depois da fissão nuclear na usina, o que resta são
átomos radioativos de plutônio, iodo, césio e
dezenas de outros elementos.
O plutônio emite radiação alfa que, quando
absorvida pelos ossos humanos, causa câncer em
poucos dias
O plutônio precisa ser armazenado em câmaras de
concreto e chumbo até que pare de oferecer tanto
risco – cerca de 24 000 anos!
Fusão nuclear
A fusão nuclear é uma reação em cadeia em
que núcleos leves se fundem para formar
núcleos mais pesados, ocorrendo grande
liberação de energia.
A energia liberada pelas estrelas provém de
reações de fusões nucleares.
No Sol, o hidrogênio se transforma em hélio
com liberação de energia.
A massa de hélio formada é
menor do que a do
hidrogênio envolvida. A
diferença de massa é
transformada em energia.
A fusão é cerca de 8 vezes
mais energética que a
fissão.
Devido à repulsão eletrostática entre os núcleos de
hidrogênio, são necessárias temperaturas da ordem
de milhões de kelvins para a aproximação dos
núcleos.
Este valor corresponde à temperatura no núcleo
das estrelas, onde a matéria é uma “gás” de íons
positivos e elétrons, chamado de plasma.
A temperatura é tão alta que não existe material
que possa constituir um recipiente capaz de
suportar uma reação envolvendo plasma.
–
são
reatores que
conseguem suportar
essas temperaturas
mantendo um delgado
filete de plasma, longe
das paredes, durante
um curto intervalo de
tempo e usando a
técnica do
confinamento
magnético.
Energia nuclear e o
aquecimento global
Das fontes mais utilizadas de energia,
apenas três não contribuem com a emissão
de gases que causam o efeito estufa:
Nuclear
Eólica
Solar
Energia eólica: como o vento não pode ser
represado, é uma energia imprevisível,
vulnerável a oscilações climáticas;
Energia solar: necessita de grandes
extensões para a produção de pouca energia,
e só faz sentido em locais com forte
incidência de luz solar;
Energia nuclear: Com controle rígido dos
reatores, a energia atômica e ecológica já é
uma realidade
ENERGIA NUCLEAR NO MUNDO
(percentual)
Referências
• CARRON e GUIMARÃES, As Faces da Física. Volume
único. 2 ed. São Paulo: Moderna, 2002.
• GASPAR, Alberto. Física. Volume único. São Paulo:
Ática, 2005.
• Superinteressante. Ed. Abril. Edição 241, julho/2007.
• http://cepa.if.usp.br/e-fisica/imagens/moderna
• www.dositech.com.br/nuclear/oqe.htm
• www.eletronuclear.gov.br/tecnologia/index.php...
• astro.if.ufrgs.br/estrelas/node12.htm