Refere-se a radioatividade as partículas que são emitidos a partir de núcleos como um resultado da instabilidade nuclear. Porque o núcleo experimenta o conflito intenso entre as duas forças mais poderosas na natureza, não deve ser surpreendente que há muitos isótopos nucleares que são instáveis e emitem algum tipo de radiação. Os tipos mais comuns de radiação são chamados alfa, beta, gama e radiação, mas há várias outras variedades de decaimento radioativo.
A radioatividade pode ser: natural ou artificial. Em radioatividade natural, a substância já tem radioatividade no estado natural. Em radioatividade artificial, a radioatividade foi induzida por irradiação.
Radioatividade - O que é
Henri Becquerel descobriu que o urânio e seus compostos emitiam uma radiação penetrante, mas interpretou o fenômeno como um tipo de fosforescência invisível. Assim como Charles Henry, Gaston Niewenglowski e outros autores, Becquerel foi guiado pela sugestão de Poincaré de que os materiais luminescentes talvez emitissem raios X. Assim como outros pesquisadores da época, Becquerel descreveu fenômenos inexistentes, atribuindo à radiação do urânio propriedades como reflexão regular, refração, polarização e aumento de intensidade quando estimulado por luz.
Apenas a partir de 1898 o estudo da radioatividade começou realmente a se desenvolver, com a gradual correção dos erros de Becquerel, a descoberta de outros elementos (além do urânio) que emitiam radiações penetrantes, e a própria formulação do conceito de "radioatividade" por Marie Curie. Somente em 1899 começou a ser esclarecida a natureza das próprias radiações emitidas pelos corpos radioativos, mostrando-se que não se tratava de raios X, e em 1902-03 foi finalmente formulada a teoria da transformação radioativa, por Rutherford e Soddy. Foi graças a esse trabalho coletivo, e não ao trabalho de Becquerel, que a radioatividade foi descoberta e compreendida.
Radioatividade - Descoberta
Efeitos Causados pela Explosão de uma Bomba Nuclear de 1 Megaton
A bomba é uma aplicação bélica da fissão nuclear que utiliza a imensa quantidade de energia liberada numa reação de fissão em cadeia. Divide-se uma massa crítica de material físsil (Urânio 235 ou Plutônio 239) em diversas massas subcríticas. Cercam-se essas massas subcríticas com cargas de TNT, Trinitrotolueno. No centro das massas subcríticas coloca-se uma fonte de nêutrons. Ao se detonar a bomba, as cargas de TNT explodem simultaneamente forçando as massas subcríticas a se juntarem em massa crítica, que penetra na fonte de nêutrons dando origem a reação de fissão em cadeia, com uma enorme liberação de radiações e energia.
A seqüência fotográfica mostra uma casa de madeira a 1.100 m do local de explosão de uma bomba de 16 kt. A exposição térmica foi de 25 cal/cm2, menos de 1/4 do que se obteve com a explosão em Hiroshima no ponto zero. A explosão produziu uma onda de choque de 160 mph.
1 - Radiação nuclear inicial (Em 0,000.001 s, o gás da fissão forma um ponto brilhante, a radiação mata a 15 km de distância do centro da explosão nuclear, quem foi contaminado.) Segundo um estudo feito pela Organização Mundial da Saúde, em 1983, uma guerra nuclear em plena escala mataria um bilhão de pessoas de imediato. No exato ponto da explosão (o ponto diretamente sob a bomba que explode), ou nas proximidades dele, o calor intenso da bola de fogo vaporiza os humanos. Mais longe (até uns 18 km), as pessoas sofrem queimaduras de segundo e terceiro graus na pele exposta. A roupa pega fogo. Tapetes e móveis se incendeiam. Sob determinadas condições cria-se uma tempestade de fogo superaquecida, que engolfa as pessoas.
2 - Pulso eletromagnético (Em 0,001 s, forma-se uma bola de 150 m de diâmetro, ocorre o pulso magnético, que pode provocar colapso energético num país inteiro, danificando até 200 km de extensão e interrupções nas transmissões de sinais.) Uma explosão nuclear gera imenso clarão de luz que cega ou aturde pessoas situadas até mesmo muito distante do local da explosão — até uns 21 km durante o dia, e 85 km à noite, no caso da explosão de um megaton.
3 - Pulso térmico (Em 2 s, um sol de 4,5 km de diâmetro, queima tudo num raio de 5 km, matando ou cegando quem não estiver protegido — até uns 21 km durante o dia, e 85 km à noite.) Um segundo bilhão morre em decorrência da explosão, dos incêndios, e da radiação. Recentes estudos são ainda mais pessimistas.
4 - Onda de choque (Em 5 s, a onda de choque destrói tudo num raio de 7 km.) A explosão nuclear gera ventos com a força dum furacão. Perto do ponto da explosão da bomba, a destruição é total. Mais longe, as pessoas nos prédios são esmagadas pelos tetos e paredes que desabam; outras são feridas ou mortas pelos destroços e móveis que voam por toda a parte. Ainda outras são sufocadas pela densa poeira de argamassa e tijolos reduzidos a pó. A excessiva pressão dos vendavais provoca o rompimento do tímpano ou hemorragia pulmonar.
5 - Poeira radioativa (Cada bomba contamina 2.500 km2 matando 50% da população.) Emite-se intensa chuva de nêutrons e de raios gama. A exposição moderada a eles provoca a doença caracterizada por náusea vômitos e fadiga. Os danos causados aos glóbulos sangüíneos reduz a resistência à infecção e retarda a cura dos ferimentos. Alta exposição à radiação provoca convulsões, tremor, ataxia, e letargia. A morte acontece dentro de uma a 48 horas.
Os sobreviventes vítimas da radiação tornam-se suscetíveis ao câncer. Há maior probabilidade de que transmitam defeitos hereditários à sua prole, inclusive menor fertilidade, abortos espontâneos, malformações congênitas em bebês ou natimortos, e debilidades constitucionais não-específicas.
Radioatividade - História
A Radioatividade desempenhou um papel importante no desenvolvimento da Física Nuclear e Atômica. Não menos importantes são suas aplicações na Medicina, na Agronomia, na Indústria, e em diversas pesquisas científicas.
E também um pouco de história da radioatividade
A descoberta dos "raios X" causou um verdadeiro sensacionalismo no meio científico. Alguns meses após sua descoberta, eles já eram empregados em clínicas médicas. Esses raios surgem na região esverdeada da ampola de Crookes, ou seja, de onde se dá a fluorescência no vidro pela colisão dos raios catódicos.
O fenômeno despertou no cientista Becquerel uma correlação entre os " raios X " e a fluorescência das substâncias. Em outras palavras, Becquerel achou que as substâncias, quando fluorescentes, emitem "raios X". Ele se utilizou então de diversas substâncias fluorescentes ao ultra-violeta expondo-as à luz solar. ( A luz solar contém uma dose de radiação ultra-violeta). Estas amostras eram colocadas sobre chapas fotográficas envolvidas por papel negro. Então a chapa fotográfica estava protegida dos raios da luz solar. Se a fluorescência na amostra emitisse "raios X", então, estes atravessariam o papel negro e iriam impressionar o filme. Após diversas tentativas, Becquerel observou que o sulfato duplo de potássio e uranila K2 UO2 ( SO4 )2 era a única substância fluorescente que conseguia impressionar o filme. Ele guardou numa gaveta o sal de urânio sobre uma chapa fotográfica devido às más condições do tempo. Como não havia incidência de ultra-violeta no sal, este não poderia emitir "raios X".
Alguns dias depois, ao revelar por acaso aquele filme da gaveta, com surpresa notou impressões muito mais intensas que nas suas experiências. Estava provada que não era a fluorescência a causa das emissões estranhas análogas aos "raios X". Logo foi evidenciado que o K2 UO2 ( SO4 )2 tinha a propriedade de, espontaneamente, produzir emissões que atravessavam o papel negro e vinham decompor o sal de prata do filme fotográfico.
Assim, em 1896, Becquerel declarava que o sulfato duplo de potássio e uranila emitiam estranhos raios, que, inicialmente, foram denominados de "raios de Becquerel".
Eles acabaram descobrindo que a propriedade de emitir aqueles raios era comum a todos os elementos que possuíam urânio, evidenciando assim que "o elemento urânio era o responsável pelas misteriosas emissões".
Para o fenômeno foi sugerido o nome de "radioatividade", que significa: atividade de emitir raios(do latim – radius). Constatou-se logo que a radioatividade tem muita semelhança com os "raios X" descobertos por Roentgen, sendo, por exemplo, capazes de ionizar gases ou ainda, capazes de ser retidos por espessas camadas.
Isto é comprovado utilizando-se um eletroscópio elementar de folhas de ouro. Quando se encosta um bastão carregado (digamos positivamente), as lâminas de ouro se repelem. Se existe no interior do vidro um material radioativo, este ioniza o gás e, rapidamente, descarrega o eletroscópio, fazendo com que as folhas de ouro se reaproximem. Constata-se ainda que, quando maior o teor de urânio na amostra, mais rapidamente se descarrega o eletroscópio. Este aparelho, embora muito simples, foi utilizado pelo casal Curie durante suas experiências. Para extrair o urânio, compravam minérios de diversas procedências. Um deles, a "pechblenda", da cidade de Joachimsthal (hoje na Tchecoslováquia), apresentava-se muito mais radioativo que outras amostras. Examinando o minério com cuidado, foi observado que uma das frações de impureza extraída da pechblenda apresentava-se muito mais radioativa que o urânio puro.
Este fato fez com que o casal Curie desconfiasse da existência de mais um elemento radioativo até então desconhecido. De fato, em 1898 eles conseguem isolar um novo elemento radioativo, com cerca de 400 vezes mais radioativo que o urânio. Ao novo elemento foi dado o nome de "polônio" em homenagem à pátria de Marie Curie, natural de Varsóvia.
As pesquisas continuaram e logo depois, o casal Curie anunciava a descoberta de outro elemento ainda mais radioativo que o Polônio e que foi denominado de "Rádio".
O Rádio produz intensas emissões, as quais atravessam até mesmo camadas de chumbo que seriam barreiras para os "raios X":tornam muito fluorescentes materiais como o "sulfeto de zinco" ou "platino cianureto de bário". Estas emissões exercem ainda efeito energético na destruição de células vivas.
Logo após a descoberta da radioatividade, os cientistas reconheceram que, no fenômeno, havia emissão de "partículas" e "radiações".
Um engenhoso dispositivo foi idealizado. Num cilindro de chumbo é perfurado um poço. Aí dentro, coloca-se um material radiativo, por exemplo, polônio ou rádio.
O material vai emitir radiatividade em todas as direções, porém, o chumbo estanca a propagação. Somente na direção do poço escapam as emissões.
Colocando-se placas fortemente eletrizadas, cria-se um campo elétrico capaz de desviar a trajetória das radiações.
No entanto, aparecem trÊs direções de propagação, o que se pode constatar colocando uma placa fotográfica ou um cartão fluorescente no plano (XY) (perpendicular à figura)
A emissão radiativa é constituída de partículas de carga positiva, partículas de carga negativa e radiações, hoje denominadas ondas eletromagnéticas.
As partículas positivas, que foram denominadas de partículas alfa (a), devem possuir massa elevada, já que, o desvio produzido é bem menor em relação às outras partículas.
O famoso cientista Rutherford conseguiu demonstrar que as partículas (a) eram núcleos de átomo de hélio e, portanto, constituídos de 2 prótons + 2 nêutrons.
Num tubo barométrico de vidro espesso foi colocada uma cápsula contendo sal de rádio. O rádio emite partículas (a), que facilmente atravessam a cápsula, mas não atravessam a espessa parede de vidro que forma o tubo.
Após algum tempo, verificou-se que o nível de mercúrio abaixou (?h), informando a presença de gás hélio. O gás formou-se a partir das partículas (a) emitidas pelo rádio.
As partículas negativas foram denominadas de partículas beta (ß) e possuem o mesmo comportamento dos raios catódicos.
Desta forma, não restava dúvida: tratava-se de "elétrons em grande velocidade".Estas partículas têm maior poder de penetração que as partículas alfa.
As partículas (ß) sofrem "desvio maior e em sentido oposto", em relação às partículas (a), pois são "partículas leves e de carga negativa".
Enquanto as partículas (a) só atravessam alguns milímetros de madeira, a partículas (ß) chegam a atravessar alguns milímetros de aço.
A energia dessas partículas depende também do átomo emissor. As partículas emitidas pelos átomos de rádio são muito mais penetrantes que aquelas emitidas pelo polônio.
As emissões que "não eram desviadas" pela ação de campos elétricos ou magnéticos foram denominadas de "raios gama" (?). Hoje sabemos que os raios (?) são ondas eletromagnéticas de (?) curtíssimo, mais curtos que os raios X e grande poder de penetração. Chegam a atravessar dezenas de centímetros de chumbo.
A radiatividade é hoje detectada por um aparelho denominado "contador Geiger" – posteriormente melhorado por Müller. Trata-se de um balão de vidro contendo um gás. Quando as partículas e as radiações penetram no balão de vidro, ocorre uma ionização do gás.
Internamente, o balão cilíndrico de vidro revestido por uma folha metálica. Existe um fio metálico que atravessa longitudinalmente o tubo de vidro.
Quando as emissões radiativas ionizam o gás, os íons produzidos são atraídos para o fio metálico. Então, eles recebem os elétrons provenientes do gerador. Os elétrons que saltam na ionização do gás, são também atraídos pela parede metálica, que os conduz para o gerador.
Simplificando, uma pequena corrente elétrica aparece no circuito. Esta corrente elétrica produz "impulsos" que podem ser transformados em ruídos num amplificador.
Desta forma, pode-se contar os ruídos e deduzir o número de ionizações que ocorrem na amostra. Os contadores comuns são sensíveis às partículas (ß) e raios (?), principalmente. Existem diversos modelos desses aparelhos; fixos e portáteis de maior ou menor sensibilidade. Uma das grandes aplicações é na prospecção de minérios radioativos.
A emissão radioativa é constituída de partículas de carga positiva, partículas de carga negativa e radiações, hoje denominadas "ondas eletromagnéticas".As partículas positivas ,que foram chamadas de " partículas alfa " (a),devem possuir massa elevada, já que, o desvio produzido e bem menor em relação às outras partículas.
O famoso cientista Rutherford conseguiu demonstrar que as partículas (a) eram núcleos de átomo de hélio e,portanto,constituídos de 2 prótons +2 nêutrons.Num tubo barométrico de vidro espesso foi colocada uma cápsula contendo sal de rádio.
O rádio emite partículas "a",que facilmente atravessam a cápsula,mas não atravessam a espessa parede de vidro que forma o tubo.Após algum tempo verificou-se que o nível de mercúrio abaixou (?h),informando a presença de gás no interior do tubo barométrico.A análise deste gás revelou ser o gás hélio.O gás formou-se a partir das partículas (a) emitidas pelo rádio.
Desta forma, não restava dúvida: tratava-se de "elétrons em grande velocidade".Estas partículas têm maior poder de penetração que as partículas (a).
As partículas (ß) sofrem "desvio maior e em sentido oposto",em relação ás partículas (a),pois são "partículas leves e de carga negativa".Enquanto as partículas (a) só atravessam alguns milímetros de madeira,as partículas (ß) chegam a atravessar alguns milímetros de aço.
A energia dessas partículas depende também do átomo emissor.As partículas emitidas pelos átomos de rádio são muito mais penetrantes que aquelas emitidas pelo polônio.As emissões que "não eram desviadas"pela ação de campos elétricos ou magnéticos foram denominadas de "raios gama" (?).Hoje sabemos que "os raios (?) são ondas eletromagnéticas de (?) curtíssimo,mais curtos que os "raios-x" e de grande poder de penetração.Chegam a atravessar dezenas de centímetros de chumbo.
O cientista inglês Frederick Soddy partiu da hipótese de que a radiatividade era um fenômeno conseqüente a uma instabilidade nuclear. Assim, um átomo radiativo, após a emissão de uma partícula (a) ou (ß), iria transformar-se em átomo de outro elemento.
Verificou-se que, quando um átomo radiativo emite uma partícula (a), ele se transforma num elemento, cujo átomo recua "2 lugares na tabela periódica" e cuja "massa atômica diminui de 4 unidades".
Assim Soddy enunciou uma lei conhecida como "1ª Lei da radiatividade" ou "Lei de Soddy", atualmente interpretada:
"Quando um átomo radiativo emite uma partícula (a) , seu número atômico diminui de 2 unidades e seu número de massa diminui de 4 unidades".
Com a colaboração de mais dois cientistas, foi descoberto que. Quando um átomo radiativo emite uma partícula (ß), o lugar desse átomo na classificação periódica "avança de uma unidade" e a sua "massa atômica permanece constante".
Esta foi a observação de onde resultou a "2ª Lei da radiatividade", conhecida como "lei de Soddy, Fajans e Russel", assim interpretada:
"Quando um átomo radiativo emita uma partícula (ß), seu número atômico aumenta de uma unidade e seu número de massa permanece constante."
Evidentemente, os anunciados dessas leis não tinham esses textos, pois, naquela época, nem se admitia o átomo nuclear. Ainda se pensava no átomo "bolinha" como aquela imaginada por Dalton. Então, não se podia falar em número atômico e número de nêutrons.
Explicação atual da 1ª Lei
As leis da radiatividade tornaram-se evidentes após a descoberta da estrutura nuclear do átomo. Como a partícula (a) é constituída de 2 prótons e 2 nêutrons no núcleo e, conseqüentemente, seu número de massa irá diminuir de 4 unidades.
A saída de uma partícula do núcleo provoca simultaneamente a emissão de raios gama pelo núcleo.
Explicação atual da 2ª Lei
Admite-se hoje a existência de nêutrons instáveis no núcleo dos átomos radiativos. O nêutron transforma-se em próton + elétron + neutrino, sendo que apenas o próton permanece no núcleo. O neutrino, por ser uma partícula muito leve e sem carga, não é detectada nos cantadores Geiger comuns. Então preocuparemos apenas com prótons e nêutrons nas emissões (ß).
Sempre que do núcleo sai um elétron, resulta que "um nêutron" transforma-se "num próton". Então, o número atômico aumenta de uma unidade e o número de massa permanece uma próton, sem alterar então a contagem de "prótons e nêutrons".
Constata-se experimentalmente que apenas os átomos de número atômico superior a 82 manifestam a radiatividade natural. São aqueles elementos do fim, na Tabela Periódica, incluindo também os artificiais. Os átomos de números atômicos menores podem tornar-se radiativos, mas somente após terem seus núcleos bombardeados por determinadas partículas sub-atômicas.
A energia cinética mínima dos núcleos para que ocorra a fusão pode ser estimada supondo que a interação nuclear se torna efetiva para uni-los quando eles entram em contato.
Então, a energia cinética mínima dos núcleos, supostos esféricos, deve ser igual à energia potencial de repulsão coulombiana entre eles:
KB = 1,38 x 10-23 J / K = 8,62 X 10-11 MeV / K
Um gás dos núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões porque, fazendo , Z1 = Z2 = 1
Isto significa que um gás formado com os núcleos de menor número atômico, isto é, um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, se existisse qualquer um dos dois, deveria ter uma temperatura da ordem de 109 K para que ocorressem fusões. Esse resultado representa apenas uma estimativa grosseira. Na verdade, para um gás de prótons ou um gás de núcleos de deutério, já ocorrem fusões se a temperatura é da ordem de 106 K ou, em termos energéticos, se os prótons ou os núcleos de deutério têm energias cinéticas de aproximadamente 90 eV. É interessante comparar essa energia mínima, que devem ter os prótons ou os núcleos de deutério para iniciar as reações de fusão, com a energia cinética dos nêutrons térmicos que iniciam as reações de fissão, que é de aproximadamente 0,03 eV.
Em temperaturas da ordem de 106 K, as unidades básicas de qualquer substância não são mais seus átomos ou moléculas, mas os núcleos correspondentes e os elétrons, não mais ligados uns aos outros, devido à intensidade das colisões mútuas. O que se tem é um plasma, ou seja, um gás neutro, formado de núcleos com carga positiva e de elétrons livres. Devido às altas temperaturas, um plasma não pode ser confinado por qualquer recipiente, mas pode ser mantido confinado numa certa região do espaço por campos elétricos e magnéticos. As estrelas, em sua grande maioria, são bolas de plasma, confinado pelo campo gravitacional, e as reações de fusão entre seus constituintes são as responsáveis pela produção de energia.
Já foi discutido que o processo de fusão vem acompanhado de liberação de energia porque as energias de ligação por núcleon dos núcleos iniciais são menores do que a energia de ligação por núcleon do núcleo final. Tomando como exemplo a fusão de dois núcleos de oxigênio 16 para formar um núcleo de enxofre 32 foi visto que era liberada uma energia de 25,6 MeV. O cálculo foi o possível de ser feito a partir do gráfico E / A contra A.
Reator de fusão nuclear é qualquer sistema físico onde se produz e se controla uma reação nuclear de fusão em cadeia. Embora existam vários métodos propostos e sendo implementados para a geração de energia por meio da fusão, ainda não existe um reator que funcione satisfatoriamente.
2H1 + 3He2 4He2 + p [ΔE = 18,3 MeV]
2H1 + 3H1 4He2 + n [ΔE = 17,6 MeV]
Contudo, para a implementação da reação deutério-hélio 3, deve-se enfrentar um problema até agora em aberto:enquanto o deutério pode ser facilmente obtido da água do mar, o hélio 3 é raro e não pode ser obtido por qualquer processo simples.
Por outro lado, para a implementação da reação deutério-trítio, deve-se enfrentar os seguintes problemas: o trítio é muito raro na natureza e os nêutrons produzidos, ao serem absorvidos por vários tipos de núcleos, podem originar núcleos radioativos. Aparentemente, esses dois problemas têm solução.
A escassez de trítio pode ser resolvida porque o trítio pode ser produzido pelo bombardeamento de lítio pelos nêutrons liberados num reator de fissão, segundo a reação:
6Li3 + n 4 He2+ 3H1
No confinamento magnético, o plasma é comprimido adiabaticamente pelo rápido aumento da intensidade do campo magnético e, com isso, aumenta a sua temperatura até que aconteçam as fusões. No confinamento inercial, feixes muito intensos de raio laser aquecem e comprimem minúsculas cápsulas com um plasma de deutério e trítio até que ele atinja um estado de temperatura e pressão adequado para que ocorram as fusões.
As temperaturas no interior do Sol e de outras estrelas são maiores do que 107 oC. Então, nesses ambientes ocorrem reações termonucleares. Ao lado estão representados os estágios do ciclo do carbono, que se supõe ser o processo que produz a maior parte da energia que o Sol continuamente irradia para o espaço. O carbono 12 consumido no estágio 1 reaparece como produto no estágio 6, ou seja, o ciclo do carbono não faz diminuir a quantidade de carbono 12 do interior do Sol. Por outro lado, o hidrogênio 1, ou seja, os prótons, consumidos nos estágios 1, 3, 4 e 6, nunca mais reaparece como produto.
O produto final do ciclo é o hélio 4 e a reação efetiva que se desenvolve no ciclo do carbono é a seguinte:
4 1 H1 4He2 + 2e- + 2v A reação é de fusão de 4 núcleos de hidrogênio 1 (4 prótons) para resultar em um núcleo de hélio 4. A energia total gerada nessa reação é de cerca de 25 MeV.
Fissão nuclear é o processo pelo qual um núcleo de número de massa grande se divide em dois fragmentos de números de massa comparáveis. Os núcleos com número de massa grande estão sujeitos à fissão espontânea com uma probabilidade muito pequena e sujeitos à fissão induzida artificialmente com uma probabilidade bem maior. Pode-se induzir a fissão de um núcleo excitando-o com uma energia de pelo menos 4 a 6 MeV ou bombardeando-o com nêutrons, desde que um desses nêutrons seja capturado e que a soma da sua energia cinética com a sua energia de ligação ao núcleo seja maior do que o limiar de energia para a fissão. Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron mesmo que ele tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico), e um núcleo de urânio 238 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron desde que ele tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido). Essa diferença se deve à energia de pareamento. O núcleo do urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O emparelhamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de cerca de 0,57 MeV. O núcleo do urânio 238 tem número par de prótons e de nêutrons, de modo que o nêutron capturado não pode se emparelhar e, então, não existe energia de emparelhamento a ser liberada.
1H1 + 7Li3 [8Be4] 4He2 + 4He2
Por exemplo, um núcleo de urânio 235 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron, mesmo que ele tenha uma energia cinética muito baixa, da ordem de 0,025 eV (nêutron lento ou térmico), e um núcleo de urânio 238 pode sofrer fissão ao capturar um nêutron desde que ele tenha uma energia cinética grande, da ordem de 1 MeV (nêutron rápido). Essa diferença se deve à energia de pareamento.
O núcleo do urânio 235 tem um número de prótons par e um número de nêutrons ímpar. O emparelhamento do nêutron capturado com o nêutron ímpar do núcleo libera uma energia adicional de cerca de 0,57 MeV.
O núcleo composto formado contém 8 núcleons, 4 nêutrons e 4 prótons, e, sendo instável, quase imediatamente se separa em dois fragmentos (partículas a), cada um com 2 nêutrons e 2 prótons e uma energia cinética de 8,5 MeV.
A energia cinética dos fragmentos da fissão é muito maior do que a energia cinética da partícula que iniciou o processo.
Aqui cabe a seguinte observação. A fissão do lítio 7 parece contradizer a regra que diz que a fissão nuclear com liberação de energia só ocorre se o número de núcleons dos núcleos resultantes é maior ou da ordem de 56, já que a curva E / A contra A tem máximo em A 56.
Contudo, com um exame detalhado do gráfico E / A contra A pode-se perceber que o ponto correspondente ao núcleo de lítio 7 está à direita de um ponto de máximo local, que corresponde ao núcleo de hélio 4, e a fissão do núcleo de lítio 7 origina dois núcleos de hélio 4.
Se a energia de excitação é suficientemente grande, numa dessas vibrações coletivas, o núcleo composto pode assumir uma forma com dois blocos de núcleons separados por uma estreita ponte.
E se, entre esses blocos, a repulsão coulombiana de longo alcance entre os prótons for mais importante do que a interação nuclear atrativa de curto alcance, o núcleo composto se fragmenta.
Se a energia de excitação é baixa, as vibrações coletivas do núcleo composto não o levam a uma forma muito diferente da sua forma quando no estado fundamental e, eventualmente, a energia de excitação é liberada com a emissão de radiação g.
ou seja, a captura de um nêutron lento pelo urânio 238 resulta em um núcleo radioativo de netúnio 239 que, por sua vez, decai num núcleo radioativo de plutônio 239.
Esse processo é o responsável, em certos reatores nucleares, pela produção de grandes quantidades de plutônio.
O núcleo de plutônio 239 é outro exemplo de núcleo que sofre fissão com a captura de um nêutron lento.
Nos processos radioativos meia-vida ou período de semidesintegração de um radioisótopo é o tempo necessário para desintegrar a metade da massa deste isótopo, que pode ocorrer em segundos ou em bilhões de anos, dependendo do grau de instabilidade do radioisótopo.
No caso do carbono-14 a meia-vida é de 5.600 anos, ou seja, este é o tempo necessário para uma determinada massa deste isótopo instável decair para a metade da sua massa , transformando-se em nitrogênio-14 pela emissão de uma partícula beta. Esta medida da meia-vida é utilizada para a datação de fósseis.
Os elementos transurânicos ( elementos com número atômico acima de 92 ) apresentam meias-vida de 1 segundo enquanto o urânio-238 apresenta meia-vida de aproximadamente 5.000.000.000 anos que é a idade prevista da terra.
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 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
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 exponencial, 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, t1/2, o tempo necessário para que a quantidade de material radioativo reduza-se à metade. É fácil mostrar que t1/2=tln2.
Logo após a descoberta dos raios X por Wilhelm Conrad Röntgen, em 1895, os cientistas perceberam que esses raios poderiam ter grandes aplicações práticas.
Nos 15 anos que se seguiram, os médicos trabalharam ativamente com os físicos no exame de corpos humanos. As primeiras aplicações estão relacionadas às fraturas de ossos. Os médicos aprenderam a diagnosticar fazendo uso da radiografia.
Somente por volta de 1920 é que se iniciaram os estudos relativos à aplicação de raios X na inspeção de materiais.
Hoje em dia, os raios X são usados na indústria em ensaios não-destrutivos, na Medicina em radiologia diagnóstica e em terapia, e em pesquisas científicas.
A descoberta da radioatividade artificial e o desenvolvimento dos métodos de produção de radioisótopos em grande escala estimularam muitos pesquisadores ao estudo de sua aplicação em diferentes ramos da Ciência. Essas pesquisas trouxeram grandes progressos, principalmente na Medicina, na Agricultura e na Indústria.
Os radioisótopos instáveis dos elementos.
Podem ser usados de duas maneiras: como traçadores na diagnose ou como fontes de energia na terapia.
São usados como traçadores ou marcadores devido a duas propriedades:
a. Possuem comportamento químico idêntico ao de isótopos estáveis do mesmo elemento
b. Apresentam emissão espontânea de radiação que pode ser detectada, indicando assim sua posição e quantidade.
Como fontes de energia, os radioisótopos encontram aplicações por serem detectáveis após absorção ou espalhamento pela matéria, ou por quebrarem moléculas e ionizarem átomos formando íons, iniciando assim reações químicas ou biológicas. São, portanto, utilizados para destruir tecidos, especialmente os cancerosos, ou para suprimir alguma função orgânica.
As radiações podem também ser produzidas por máquinas; são os aceleradores de partículas que os físicos utilizam na pesquisa em Física nuclear. Esses aceleradores podem produzir radiação como energia muito maior que as fornecidas por radioisótopos.
No Instituto de Física da USP existem dois aceleradores de partículas: o Pelletron, que acelera partículas carregadas até uma energia máxima dada pela fórmula (Z + 1)9 MeV, onde Z é o número atômico da partícula acelerada, e o Acelerador Linear, que acelera elétrons até uma energia de 33 MeV.
O Bétatron, que é outro acelerador de elétrons, foi utilizado pela primeira vez no tratamento de câncer, em 1948, nos Estados Unidos. Desde então tem crescido o uso de aceleradores de partículas na Medicina.
O Ciclotron é um acelerador de prótons e é usado em pewsquisas em Física nuclear e na produção de radioisótopos. Atualmente também está sendo usado na produção de nêutrons para a neutronterapia.
Alguns hospitais no Brsil possuem aceleradores lineares que produzem elétrons e raios X de até 10 MeV e são usados na terapia, principalmente de neoplasias.
Dentre as inúmeras aplicações na indústria, foram selecionadas algumas.
Uma das aplicações mais importantes na indústria refere-se ao ensaio não-destrutivo, que usa a propriedade de penetração da radiação na matéria, para examinar o interior de materiais e conjuntos lacrados.
A radiografia é, portanto, um método não-destrutivo para detectar descontinuidades e heterogeneidades na matéria, e é obtida utilizando-se raios X. Quando se utiliza a radiação gama obtém-se a gamagrafia.
Esses métodos são utilizados para inspecionar a qualidade da soldas, partes de navios, componentes de aviões, como motores, asas etc.
Num processo de inspeção radiográfica, a radiação penetrante, raios X ou gama, atravessa o espécime em ensaio. Uma parte da radiação é absorvida pelo espécime, e a restante vai impressionar em um filme fotográfico, onde se pode visualizar toda a estrutura do corpo de prova ou parte dela.
Tanto com a radiografia como com a gamagrafia podem-se analisar desde folhas finas de vegetais até aços com espessura de cerca de 25 cm.
A escolha da radiação a ser utilizada depende de uma série de fatores como: densidade e espessura do material, forma geométrica do objeto e acesso ao espécime.
Atualmente existem cerca de 60isótopos radioativos que foram utilizados com relativo sucesso em gamagrafias industriais.
No entanto, cerca de 90% das gamagrafias industriais são feitas utilizando-se apenas 4 radioisótopos: cobalto-60, irídio-192, césio-137 e túlio-170.
O reator atômico do Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares (IPEN) produz algumas fontes para uso comercial.
Em São Paulo e Rio de Janeiro existem algumas firmas comerciais que fazem radiografias e gamagrafias verificando a qualidade de soldas em tubulações de gás, água, metrô, etc.
Medida de espessura ou de níveis de materiais
Baseia-se no fato de que o material, colocado entre a fonte de radiação e o detector, absorve ou espalha parte da radiação. A radiação que atravessa o material e atinge o detector pode dar informação sobre a espessura e a densidade do material.
Algumas das vantagens no uso dessa técnica:
a. não ser necessário o contato mecânico com o material a ser medido. Isso é importante quando se trata de materiais corrosivos, tóxicos ou perigosos de manusear
b. a medida pode ser feita continuamente e à longa distância.
Essa técnica é freqüentemente utilizada para medir níveis de líquidos dentro de recipientes fechados. Uma fonte radioativa flutua sobre o líquido, e o detector é colocado na base inferior.O aumento da intensidade da radiação que atinge o detector indica uma diminuição no nível do líquido.
Radioisótopos empregados como traçadores oferecem um método simples, segura e razoavelmente barato para detectar vazamento de líquidos ou gases, como petróleo, por exemplo.
Uma pequena quantidade de material radioativo é adicionada ao fluxo. Qualquer vazamento pode ser detectado, mesmo que seja invisível.
Materiais radioativos são usados como traçadores na fabricação de motores. A análise do óleo lubrificante poderá fornecer informações sobre o grau de desgaste do motor.
Na indústria alimentícia, a radiação pode ser usada com três objetivos:
a. Evitar que certas raízes ou tubérculos brotem durante o armazenamento, como é o caso de cebolas e batatas
b. Eliminar insetos dos grãos, antes do armazenamento
c. Preservar alimentos, inibindo ou destruindo bactérias e outros microorganismos.
A radiação, atuando sobre as substâncias alimentícias, ioniza alguns átomos e altera a estrutura de moléculas vitais de bactérias e microorganismos, provocando sua morte. Os alimentos, contudo, não sofrem efeitos nocivos nem se tornam radioativos.
Existem, entretanto, certos problemas associados com a esterilização de alimentos como mudança no sabor, na cor e na textura, dependendo do alimento. Em outros casos, há diminuição do teor de vitaminas.
Em setembro de 1976, em Genebra, uma comissão conjunta de três organizações – a Organização de Alimentação e Agricultura d ONU (FAO), a Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA) e a Organização Mundial de Saúde (WHO) – recomendou a aceitação incondicional de cinco alimentos irradiados: galinha, mamão, batata, morango e trigo, e propôs a aceitação provisória de cebola, bacalhau e arroz irradiados.
A esterilização é um processo pelo qual os fungos e as bactérias são completamente destruídos dentro de um material.
Materiais hospitalares como bandagens, gases, suturas cirúrgicas, drogas, vacinas, seringas, são normalmente fornecidos na forma esterilizada.
A esterilização pode ser feita de várias maneiras. O método tradicional é por aquecimento do material entre 150°C e 170°C.
Um dos problemas introduzidos na esterilização por radiação é a mudança ne estrutura de alguns plásticos, tornando-os quebradiços, o que diminui as chances de reciclagem desses produtos.
Dentre as vantagens dessa técnica, está a possibilidade de esterilizar materiais:
a. Sem aplicação de calor, que pode deteriorar o produto, dependendo do caso
b. Já embalados, por causa do grande poder de penetração da radiação empregada.
Existem firmas comerciais no Estado de São Paulo que esterilizam materiais cirúrgicos com fonte de cobalto-60 de cerca de 400 quilocuries.
Uma das aplicações mais importantes dos radioisótopos diz respeito à resolução de problemas básicos da produção de alimentos.
Alguns dos benefícios trazidos com o uso dos radioisótopos são:
a. Criação de novas variedades de plantas com características melhoradas
b. Capacidade de aumentar e de melhorar a produção de alimentos através do conhecimento do metabolismo vegetal e animal
c. Controle ou eliminação dos insetos;
A obtenção de variedades melhoradas de plantas, quando feita naturalmente, requer anos de produção a seleção. Irradiando-se sementes ou plantas é possível aumentar cerca de 1 000 vezes ou mais a taxa de um largo espectro de mutações genéticas. Dentre as novas variedades produzidas, o geneticista deve selecionar as que exibirem características melhoradas.
Em 1957, acontece um acidente radioativo em uma usina inglesa situada na cidade de Liverpool. Somente em 1983 o governo britânico admitiria que pelo menos 39 pessoas morreram de câncer, em decorrência da radioatividade liberada no acidente. Documentos secretos recentemente divulgados indicam que pelo menos quatro acidentes nucleares ocorreram no Reino Unido em fins da década de 50.
Em abril de 1986 ocorre o maior acidente nuclear da história (até agora), quando explode um dos quatro reatores da usina nuclear soviética de Chernobyl, lançando na atmosfera uma nuvem radioativa de cem milhões de curies (nível de radiação seis milhões de vezes maior do que o que escapara da usina de Three Mile Island), cobrindo todo o centro-sul da Europa. Metade das substâncias radioativas voláteis que existiam no núcleo do reator foram lançadas na atmosfera (principalmente iodo e césio). A Ucrânia, a Bielorússia e o oeste da Rússia foram atingidos por uma precipitação radioativa de mais de 50 toneladas. As autoridades informaram na época que 31 pessoas morreram, 200 ficaram feridas e 135 mil habitantes próximos à usina tiveram de abandonar suas casas. Esses números se mostrariam depois absurdamente distantes da realidade, como se verá mais adiante.
Às 09h20min de 27.04.1986 monitores de radiação na Central Nuclear de Forsmark, perto de Uppsala, Suécia, detectaram níveis anormais de iodo e cobalto, motivando a evacuação dos funcionários da área devido a vazamento nuclear.
Só em 28 de abril é que assumiu o acidente nuclear na República da Ucrânia, no fim do dia. Quase 12 horas depois, às 09h02min, o jornal na TV apresentou uma breve declaração de quatro sentenças, que "uma explosão, incêndio e fusão do reator tinha ocorrido na Central Nuclear Vladimir Ilitch Lênin" em Pripyat.
Um satélite americano varreu a região da Ucrânia, encontrando uma usina com o teto destroçado e um reator ainda em chamas com fumaça vertendo do interior. Apenas, em 30 de abril, o Pravda - jornal do Partido Comunista, tocou no assunto. Para dar uma idéia de normalidade, as comemorações do 1° de maio tiveram seus desfiles normalmente realizados em Kiev, a capital ucraniana, e em Minsk, na Bielorússia.No dia 3 de maio a nuvem estava sobre o Japão e no dia 5 de maio chegou aos EUA e Canadá. Mikhail Gorbáchov demorou 18 dias para falar sobre o acidente, só o fazendo em 14 de maio.
Data prevista para o início dos trabalhos de manutenção da unidade 4 da Central Nuclear Lênin de Chernobyl, Pripyat, nordeste da Ucrânia, em operação desde abril de 1984.
Outros reatores RBMK estão na Lituânia: Ignalina; e na Rússia: Kursk; Leningrad;Smolensk. A central funcionava com quatro reatores de 1.000 MW, cada um alimentando dois geradores de energia elétrica.O projeto nuclear soviético conhecido pelo acrônimo russo de RBMK ("Reaktor bolshoy moschnosty kipyaschiy", "reator fervente de grande potência"), reator com urânio enriquecido refrigerado à água fervente, moderado a grafite, é um reator evoluído a partir de um modelo cujo objetivo é a produção de plutônio a partir do urânio em seu interior. Este tipo de unidade é um convite a um ataque terrorista como o ocorrido com o World Trade Center.
O moderador contém 1.661 canais para abrigar conjuntos de combustível, revestidos de zircaloy, uma liga de zircônio com 1% de nióbio. Cada conjunto consiste de dois subconjuntos, que, por sua vez, contêm 18 elementos individuais, cada um com 3,6 kg de óxido de urânio, enriquecido a 2%. No caso de "queima completa" do combustível, a energia é de 20 MW dia por quilo de urânio e o combustível queimado contém 2,3 kg de plutônio por tonelada. O núcleo da unidade 4 tinha uma queima média de 1 kg a cada 10,3 dias.
Aproximadamente à 00h22min removeu-se as barras para subir a potência.
À 01h65min o sistema de desarme para baixo nível no separador de vapor foi desligado. À 01h68min aumentou-se o fluxo de água no núcleo do reator para evitar problemas com sua refrigeração. À 01h69min aumentou-se a potência, algumas barras foram movidas, manualmente, para além da posição-limite prevista e elevando a pressão no separador de vapor.
À 01h23min04s o teste propriamente dito começa, desligaram o turbogerador, fechando as válvulas de entrada da turbina. Com isto, a energia para as bombas d'água foi abaixando, reduzindo o fluxo de água para resfriamento e por sua vez, a água no núcleo começou a ferver. A água que atuava como absorvedora de nêutrons, limitando a potência, fervendo, aumentou a potência do reator e o aquecimento.
A ordem de desarmar o reator foi dada à 01h23min40s - o botão AZ-5 é acionado para inserir as barras de controle e deveria resultar na introdução de todas as barras de controle. A água começou a ferver e diminuiu a densidade do meio refrigerante, por sua vez o número de nêutrons livres aumentou, aumentando a reação de fissão.
Oficialmente, foram 11 mortes e 600 vítimas, mas como medir em números o tamanho de uma catástrofe nuclear? Não oficialmente, mais de cinco mil pessoas sofreram radiações do Césio 137. Muitas vítimas fugiram para o Rio e São Paulo temendo discriminação. Tiveram também muitas pessoas que trabalharam após o acidente e não são consideradas vítimas, como policiais, seguranças, médicos, enfermeiros. Eles ficaram durante um a dois anos expostos ao Césio, e hoje estão doentes. As conseqüências do acidente não são apenas orgânicas. Algumas vítimas são discriminadas até hoje na cidade. Elas são isoladas socialmente pelo medo dos moradores de se contaminarem. Há pessoas que desde o acidente não namoram, não conseguem emprego, os amigos se afastaram, não recebem amor.
Os malefícios ao homem acontecem porque o Césio 137 provoca morte das células no corpo humano. Existem níveis diferentes de contaminação. Os casos mais graves são de câncer. Mas há pessoas com vários tipos de alergia, sistema imunológico fraco, problemas sanguíneos e ósseos. Uma personagem do filme diz que sente tantas dores nas articulações que não consegue sequer varrer o quintal de casa. São pessoas que após o acidente não conseguem mais trabalhar e lutam por indenizações ou pensões na justiça. De acordo com o filme, poucas vítimas recebem ajuda financeira do Estado.O acidente de Goiânia é considerado um dos mais graves acidentes nucleares do mundo, pelo número de pessoas expostas.
Só perde para os acidentes de Harrisburg e Chernobyl, quando morreram oficialmente 31 pessoas, mas estima-se que milhares tenham sido contaminados.
Tudo começou quando um catador de papel encontrou, entre sucatas de um antigo hospital, uma caixa de chumbo e resolveu cortar para vendê-la a um ferro velho. A caixa pesava aproximadamente 500 quilos e lá dentro se encontrava o perigo não imaginado. Existem partículas de Célsio por toda parte. O perigo está quando você concentra essas partículas. A pedra encontrada em Goiânia tinha uma enorme concentração, por isso foi mortífera, explica o diretor.O problema se alastrou de forma rápida pelo fascínio que a pedra azul brilhante exerce. O dono do ferro velho conta que levou um pedaço para casa e colocou em cima de uma mesa para enfeitar. Essas pessoas não tinham conhecimento da gravidade e, até que começassem a passar mal, foram alastrando radioatividade. Essas pessoas pegavam ônibus lotados e contaminavam outras.O Césio 137 oferece perigo por 310 anos e está hoje guardado em tonéis de chumbo junto a vários objetos contaminados. Até hoje, muitos fetos nascem sem órgãos ou com o esqueleto defeituoso por causa do acidente de 1987. Além disso, ainda é grande o número de casos de câncer que não são relacionados com o caso.