Estabilidade Nuclear e Decaimento Radioativo

Pré-requisitos

• Partículas subatômicas e componentes do átomo

Carta de Segre (Segre Chart) ou Tabela de Nuclídeos

Fonte da imagem

• Autor: Usuário do Wikimedia Sjlegg
• Licença: CC BY-SA 3.0

• Para nuclídeos com número atômico $Z$ maior que 20, são necessários mais nêutrons do que prótons para estabilização
• Os nêutrons têm a função de manter o núcleo unido, superando a repulsão elétrica entre os prótons

Por que ocorre o Decaimento Radioativo

• Apenas certas combinações de nêutrons e prótons formam nuclídeos estáveis
• Se o número de nêutrons em relação ao número de prótons for muito alto ou muito baixo, o nuclídeo se torna instável e sofre decaimento radioativo
• O núcleo formado após o decaimento geralmente está em estado excitado, liberando energia na forma de raios gama ou raios-X

Decaimento Beta ($\beta$-decay)

Decaimento Beta Positivo ($\beta^+$-decay)

\[p \to n+\beta^+ +\nu_e\]

• Ocorre quando há uma deficiência relativa de nêutrons
• Um próton ($p$) se transforma em um nêutron ($n$), emitindo um pósitron ($\beta^+$) e um neutrino eletrônico ($\nu_e$)
• O número atômico diminui em 1, enquanto o número de massa permanece inalterado

Exemplo: $^{23}_{12}\mathrm{Mg} \to\;^{23}_{11}\mathrm{Na} + e^+ + \nu_e$

Decaimento Beta Negativo ($\beta^-$-decay)

\[n\to p+\beta^- + \overline{\nu}_e\]

• Ocorre quando há um excesso relativo de nêutrons
• Um nêutron ($n$) se transforma em um próton ($p$), emitindo um elétron ($\beta^-$) e um antineutrino eletrônico ($\overline{\nu}_e$)
• O número atômico aumenta em 1, enquanto o número de massa permanece inalterado

Exemplo: $^3_1\mathrm{H} \to\;^3_2\mathrm{He} + e^- + \overline{\nu}_e$

Espectro de energia dos elétrons (pósitrons) emitidos

Fonte da imagem

• Autor: Usuário da Wikipédia alemã HPaul
• Licença: CC BY-SA 4.0

• Os elétrons ou pósitrons emitidos no decaimento beta apresentam um espectro contínuo de energia, como mostrado acima.
• Decaimento $\beta^-$: $\overline{E}\approx 0.3E_{\text{max}}$
• Decaimento $\beta^+$: $\overline{E}\approx 0.4E_{\text{max}}$

A energia total liberada no decaimento beta é quantizada, mas como o elétron/pósitron e o antineutrino/neutrino compartilham essa energia de forma arbitrária, o espectro de energia do elétron/pósitron aparece como contínuo. O fato de que o espectro de energia dos elétrons/pósitrons emitidos no decaimento beta não era quantizado, mas contínuo, era inconsistente com as previsões teóricas e parecia violar a lei de conservação de energia. Para explicar esse resultado, Wolfgang Ernst Pauli previu em 11930 a existência de uma ‘partícula eletricamente neutra, com massa extremamente pequena e reatividade extremamente baixa’, propondo chamá-la de ‘nêutron’. No entanto, quando Sir James Chadwick descobriu e nomeou o nêutron como o conhecemos hoje em 11932, surgiu um problema de duplicidade de nomes. Em 11933, Enrico Fermi, ao publicar sua teoria do decaimento beta, renomeou a partícula para neutrino, adicionando o sufixo italiano ‘-ino’, que significa “pequeno”. Posteriormente, em 11942, o físico nuclear chinês Wang Ganchang (王淦昌) foi o primeiro a propor um método para detectar neutrinos usando captura eletrônica. Em 11956, Clyde Cowan, Frederick Reines, Francis B. Harrison, Herald W. Kruse e Austin D. McGuire conseguiram detectar neutrinos através do experimento Cowan-Reines, publicando seus resultados na revista Science. Frederick Reines recebeu o Prêmio Nobel de Física em 11995 por essa contribuição. Assim, o estudo do decaimento beta tem grande significado na história da ciência por ter fornecido pistas sobre a existência dos neutrinos.

Cadeia de Decaimento (Decay Chain)

Frequentemente, o nuclídeo filho (daughter nuclide) formado pelo decaimento beta também é instável e sofre decaimentos beta subsequentes. Isso leva a uma cadeia de decaimento (decay chain) como a seguinte:

\[^{20}\mathrm{O} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\mathrm{F} \overset{\beta^-}{\rightarrow}\;^{20}\mathrm{Ne}\text{ (estável)}\]

Decaimentos Beta Importantes

A seguir, apresentarei alguns decaimentos beta importantes.

Carbono-14

• $^{14}\mathrm{N} + n \to {^{14}\mathrm{C}} + p$
• $^{14}\mathrm{C} \to {^{14}\mathrm{N}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 156\ \mathrm{keV}$

O carbono-14 é produzido naturalmente na alta atmosfera pela radiação cósmica, mantendo uma concentração relativamente constante no ar. Animais e plantas também mantêm a mesma concentração de carbono-14 em seus corpos durante a vida, pois continuamente trocam gases com a atmosfera através da respiração. Após a morte, essa troca cessa e a concentração de carbono-14 no cadáver diminui com o tempo devido ao decaimento. Este é o princípio da datação por radiocarbono.

Potássio-40

• $^{40}\mathrm{K} \to {^{40}\mathrm{Ca}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 1311\ \mathrm{keV}$ (89%)
• $^{40}\mathrm{K} + e^{-} \to {^{40}\mathrm{Ar}} + \nu_e + 1505\ \mathrm{keV}$ (11%)

O potássio-40 é a maior fonte natural de radiação no corpo humano e em todos os animais, estando naturalmente presente em todos os alimentos que consumimos, especialmente em castanha-do-pará, feijão, espinafre, banana, abacate, café, peixe-espada e alho. Um adulto de 70kg tem cerca de 140g de potássio em seu corpo, mantido em nível constante, dos quais aproximadamente 0,014g é potássio-40, correspondendo a uma atividade radioativa de cerca de 4330 Bq.

Trítio

• $^{14}\mathrm{N} + n \to {^{12}\mathrm{C}} + {^3\mathrm{H}}$
• $^{16}\mathrm{O} + n \to {^{14}\mathrm{C}} + {^3\mathrm{H}}$
• $^{6}\mathrm{Li} + n \to {^{4}\mathrm{He}} + {^{3}\mathrm{H}}$
• $^3\mathrm{H} \to {^3\mathrm{He}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 18.6\ \mathrm{keV}$

O trítio é um material combustível que participa da reação de fusão D-T em reatores de fusão nuclear ou bombas de hidrogênio/bombas de nêutrons. É produzido naturalmente na atmosfera por raios cósmicos, mas devido à sua meia-vida relativamente curta de 12,32 anos, decai rapidamente e existe em proporções muito baixas na natureza. Quando utilizado em reatores de fusão ou armas nucleares, devido à sua rápida decomposição, em vez de carregar diretamente o trítio, utiliza-se um método que irradia nêutrons no lítio-6 para produzir trítio. Por esse motivo, o lítio-6 altamente enriquecido e de alta pureza para uso em armas nucleares é considerado um material essencial para o desenvolvimento nuclear e é um dos principais alvos de monitoramento da comunidade internacional, incluindo a AIEA.
Além dos usos mencionados, é um material usado em pequenas quantidades, mas comum, como em miras noturnas de equipamentos militares como o rifle K2 e a submetralhadora K1, relógios luminosos e sinalizações de saída de emergência em edifícios que precisam manter capacidade luminosa sem fornecimento de energia. O trítio é envolvido por fósforo, um material fluorescente, de modo que quando os raios beta emitidos durante o decaimento do trítio colidem com o fósforo, produzem luz. No caso das sinalizações de saída de emergência, são utilizados aproximadamente 900 bilhões de becquerels de trítio.
Devido à demanda constante e à impossibilidade de armazenamento a longo prazo, é tratado como um recurso estratégico importante, com preço aproximado de 30.000 dólares por grama. Atualmente, a maior parte do trítio produzido e vendido comercialmente vem de reatores CANDU (CANada Deuterium Uranium), que são reatores de água pesada pressurizada. Na Coreia, as unidades 1-4 de Wolsong são reatores CANDU.

Césio-137

• $^{137}\mathrm{Cs} \to {^{137}\mathrm{Ba}} + e^{-} + \overline{\nu}_e + 1174\ \mathrm{keV}$

O césio-137 é um subproduto importante de reações de fissão em reatores nucleares e testes nucleares. Devido à sua meia-vida relativamente longa (cerca de 30 anos), à emissão de raios gama penetrantes e às propriedades químicas semelhantes às do potássio, que facilitam sua absorção pelo corpo, é um nuclídeo que requer monitoramento e gerenciamento cuidadosos. Originalmente quase inexistente na natureza, hoje está presente no solo em todo o planeta numa média de 7 μg/g, resultado do teste nuclear Trinity e das bombas atômicas de Hiroshima e Nagasaki lançadas pelos EUA para derrotar o Império Japonês, além de numerosos testes atmosféricos realizados principalmente nas décadas de 11950-11960 e alguns acidentes nucleares graves (como o acidente de Chernobyl e o acidente de Goiânia no Brasil). Quando mais de 10000 Bq de césio-137 são absorvidos pelo corpo, pode ser necessário tratamento médico e observação. Alguns moradores próximos ao acidente de Chernobyl tiveram dezenas de milhares de Bq de césio-137 absorvidos. No caso do acidente nuclear de Fukushima, os moradores próximos absorveram cerca de 50-250 Bq logo após o acidente. Embora haja variações individuais e entre diferentes fontes, a meia-vida biológica do césio-137 sem tratamento é de aproximadamente 110 dias, segundo o CDC. Em caso de suspeita de exposição a grandes quantidades de césio-137, a ingestão de comprimidos de azul da Prússia medicinal pode acelerar a excreção, reduzindo a meia-vida biológica para cerca de 30 dias.

Captura Eletrônica (Electron Capture) ou Captura K (K-capture)

\[p + e \to n + \nu_e\]

• Ocorre quando há uma deficiência relativa de nêutrons
• Captura um elétron da camada mais interna (camada K) para converter um próton do núcleo em um nêutron
• O número atômico diminui em 1, enquanto o número de massa permanece inalterado
• Após a captura eletrônica, forma-se um espaço vazio na nuvem eletrônica, que é posteriormente preenchido por um elétron de uma camada externa, resultando na emissão de raios-X ou elétrons Auger
• O nuclídeo filho produzido pela captura eletrônica é idêntico ao produzido pelo decaimento $\beta^+$, portanto esses dois processos competem entre si.

Decaimento Alfa ($\alpha$-decay)

• Emissão de uma partícula alfa ($\alpha$, $^4_2\mathrm{He}$)
• O número atômico diminui em 2 e o número de massa diminui em 4
• Comum em núcleos mais pesados que o chumbo
• Diferentemente do decaimento beta, a energia das partículas alfa emitidas no decaimento alfa é quantizada.

Exemplo: $^{238}_{92}\mathrm{U} \to\;^{234}_{90}\mathrm{Th} +\; ^4_2\mathrm{He}$

Fissão Espontânea (Spontaneous Fission)

• Nuclídeos muito pesados e instáveis podem sofrer fissão espontaneamente, sem absorver nêutrons
• Incluída no conceito amplo de decaimento radioativo
• O urânio-238, por exemplo, sofre decaimento alfa com meia-vida de $10^9$ anos, mas também, raramente, fissão espontânea com meia-vida de aproximadamente $10^{16}$ anos. A tabela a seguir mostra a meia-vida de fissão espontânea de alguns nuclídeos.

Nuclídeo	Meia-vida de fissão espontânea	Características
$^{238}\mathrm{U}$	Aproximadamente $10^{16}$ anos	Ocorre muito raramente
$^{240}\mathrm{Pu}$	Aproximadamente $10^{11}$ anos	Nuclídeo físsil usado em armas nucleares
$^{252}\mathrm{Cf}$	Aproximadamente $2.6$ anos	Fissão espontânea extremamente ativa $\rightarrow$ Usado como fonte de nêutrons para inicialização de reatores

Emissão de Prótons (Proton Emission)

• Nuclídeos extremamente instáveis com excesso de prótons podem emitir um único próton
• O número atômico e o número de massa diminuem em 1
• Ocorre muito raramente

Esquema de Decaimento e Transição Isomérica

Esquema de Decaimento (Decay Scheme)

Esquema de decaimento (decay scheme): Diagrama visual que representa todas as vias de decaimento de um material radioativo

Transição Isomérica (Isomeric Transition)

• Os núcleos formados após o decaimento radioativo podem permanecer em estado excitado, liberando energia na forma de raios gama (embora a emissão de raios gama não altere o nuclídeo, convencionalmente às vezes é chamada de decaimento gama).
• A maioria dos núcleos excitados emite raios gama e transita para o estado fundamental muito rapidamente, mas em casos específicos, a emissão de raios gama pode ser retardada, parecendo um estado metaestável. Esses estados retardados são chamados de estados isoméricos (isomeric states) do núcleo.
• A transição de um estado isomérico para o estado fundamental através da emissão de raios gama é chamada de transição isomérica (isomeric transition), abreviada como IT.

Fonte da imagem

• Autor: Usuário do Wikimedia britânico Daveturnr
• Licença: Livre para uso sem restrições para qualquer finalidade, desde que não viole a lei

Licença: Domínio Público