Estabilidade Nuclear e Decaimento Radioativo

Gráfico de Segré ou Tabela de Nuclídeos

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• 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 desempenham o papel 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 é instável e sofre decaimento radioativo
• O núcleo formado após o decaimento geralmente está em um 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 relativa falta 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, o número de massa não muda

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

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, o número de massa não muda

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

Espectro de Energia dos Elétrons (Pósitrons) Emitidos

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

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

Cadeia de Decaimento

Frequentemente, o nuclídeo filho formado pelo decaimento beta também é instável e sofre decaimento beta subsequente. Isso leva a uma cadeia de decaimento como a seguinte:

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

Captura de Elétrons ou Captura K

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

• Ocorre quando há uma relativa falta de nêutrons
• Captura um elétron da camada mais interna (camada K) e converte um próton do núcleo em um nêutron
• O número atômico diminui em 1, o número de massa não muda
• Após a captura de elétrons, forma-se um espaço vazio na nuvem de elétrons, que é posteriormente preenchido por um elétron de uma camada externa, emitindo raios X ou elétrons Auger
• O nuclídeo filho formado pela captura de elétrons é idêntico ao formado pelo decaimento $\beta^+$, então esses dois processos competem entre si.

Decaimento Alfa ($\alpha$-decay)

• Emite uma partícula alfa ($\alpha$, $^4_2\text{He}$)
• 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: $^{238}_{92}\text{U} \to\;^{234}_{90}\text{Th} +\; ^4_2\text{He}$

Fissão Espontânea

• Nuclídeos muito pesados e instáveis podem sofrer fissão espontaneamente, sem absorver nêutrons
• Incluído no decaimento radioativo em sentido amplo

Emissão de Prótons

• Em nuclídeos extremamente instáveis com excesso de prótons, um único próton pode ser emitido
• O número atômico e o número de massa diminuem em 1
• Ocorre muito raramente

Esquema de Decaimento e Transição Isomérica

Esquema de Decaimento

Esquema de decaimento: Um diagrama que representa visualmente todas as vias de decaimento de um material radioativo

Transição Isomérica

• Os núcleos formados pelo decaimento radioativo podem permanecer em um estado excitado após a transformação, emitindo energia na forma de raios gama (embora a emissão de raios gama não mude o nuclídeo, convencionalmente às vezes é chamada de decaimento gama).
• A maioria dos núcleos excitados emite raios gama e transita para o estado fundamental em um tempo muito curto, mas em certos casos, a emissão de raios gama é atrasada, parecendo um estado metaestável. Este estado atrasado é chamado de estado isomérico do núcleo.
• A transição do estado isomérico para o estado fundamental através da emissão de raios gama é chamada de transição isomérica e é indicada por IT.

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  • Autor: Usuário do Wikimedia do Reino Unido Daveturnr
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