Matéria e energia: Energia nuclear e radioatividade
DIAGNÓSTICO EM DETALHES As imagens de tomografia computadorizada são obtidas da radiatividade emitida por fármacos usados para o exame
O campo de estudo da química não se dedica ao estudo do núcleo dos átomos, apenas ao dos elétrons, responsáveis pelas ligações atômicas. Mas conhecer o comportamento básico das subpartículas nucleares – prótons e nêutrons – é importante para algumas áreas da química. Por exemplo, para a produção de substâncias que, injetadas no organismo humano, permitam o diagnóstico por imagem. Para fabricar tais medicamentos, os químicos e bioquímicos precisam conhecer um pouco de física nuclear.
Estabilidade nuclear
Comece se perguntando: como é possível que os prótons permaneçam unidos no núcleo, uma vez que todos têm carga positiva e, portanto, deveriam se repelir? Em primeiro lugar, o núcleo está sujeito a um grande número de forças, muitas delas ainda pouco conhecidas. Ainda assim, podemos dizer que a estabilidade do núcleo é dada pelo equilíbrio entre o número de prótons e o de nêutrons. Quanto mais prótons existirem, mais nêutrons serão necessários para manter o núcleo inteiro. No entanto, se a quantidade de prótons aumenta muito, a força de repulsão entre eles fica tão intensa que quantidade nenhuma de nêutrons é capaz de mantê-los unidos.
Na natureza, a desintegração do núcleo ocorre com átomos que tenham mais de 83 prótons. Na tabela periódica, a partir do elemento de número atômico 84 (Z = 84), todos os núcleos são instáveis. Além disso, praticamente todos os elementos químicos têm algum isótopo radiativo – aquele em que o número de nêutrons é muito maior que o de prótons.
Na natureza tudo busca a estabilidade. Assim também os núcleos instáveis sofrem alterações espontâneas em sua constituição, em busca de estabilidade. Para isso, os núcleos emitem partículas ou energia.
ISÓTOPO RADIATIVO
Os chamados isótopos pesados de um elemento químico são aqueles que contêm mais nêutrons que o tipo mais comum de isótopo desse elemento.
Existem núcleos instáveis mesmo com Z < 84, pois não é somente o número de prótons que determina a instabilidade do núcleo, mas também a relação entre esse número e o de nêutrons.
Emissões radiativas
A energia e as partículas emitidas por um núcleo instável são genericamente chamadas de radiação, e os isótopos que as emitem são denominados radionuclídeos, ou radioisótopos. Existem três tipos de radiação.
Partículas alfa (2α4)
São emissões nucleares constituídas de partículas que contêm dois prótons e dois nêutrons. Representamos essa partícula pela letra grega α. O radionuclídeo que emite uma partícula α tem seu número atômico (Z) diminuído em duas unidades e seu número de massa (A) diminuído em quatro unidades.
Lembre-se: um elemento químico é identificado por seu número de prótons. Então, se um elemento emite uma partícula alfa – e, portanto, perde dois prótons –, ele se transforma em outro, com número atômico (Z) duas unidades menor. Quando isso acontece, dizemos que o elemento sofreu decaimento radiativo. Genericamente:
DECAIMENTO
O elemento químico rádio (Ra), com 88 prótons, faz parte do grupo de elementos radiativos. Quando sofre decaimento, transforma-se no elemento radônio (Rn).
Repare que o radônio (Rn) também é radiativo (Z > 84). Então ele deve decair para outro elemento.
Partículas beta (–1β0)
Elétrons, prótons e nêutrons são formados pela combinação de outras partículas ainda menores, os quarks. É importante saber que os quarks existem para compreender outro tipo de emissão radiativa, a radiação beta (β).
Assim como a radiação α, a β também é emitida quando um núcleo instável se rearranja para ficar estável. Só que, nesse caso, são os quarks dentro de um nêutron que se recombinam. O nêutron desaparece, transformado em próton, elétron e antineutrino (outra subpartícula atômica, não estudada no Ensino Médio). Genericamente:
nêutron → próton + elétron + antineutrino
Um elétron pode surgir da recombinação dos quarks. Esse elétron e o antineutrino resultantes são liberados do núcleo e recebem o nome de radiação β. As partículas beta são indicadas assim:
A radiação β transforma um nêutron em próton. Então, o número atômico Z do novo núcleo fica maior. Mas o número de massa A (a soma de prótons e nêutrons) não se altera. Genericamente:
RADIAÇÃO BETA
O elemento césio (Cs) emite uma partícula b e se transforma em bário (Ba). Mas o número de massa (A) permanece o mesmo.
Repare que nem o césio (Cs), nem o bário (Ba) têm Z > 83. No entanto, como esses isótopos têm mais nêutrons do que prótons no núcleo, ambos são radiativos.
Raios gama (0γ0)
Não são partículas, mas ondas eletromagnéticas (semelhantes às da luz). Essas ondas são emitidas pelo núcleo imediatamente após a saída de partículas α ou β. Ao emitir ondas eletromagnéticas, o núcleo não altera suas partículas, apenas o nível de energia.
RADIAÇÃO GAMA
O elemento Ba, recém-formado, libera raios gama, mas não altera seu número atômico nem seu número de massa. Apenas fica mais estável em termos de energia.
Meia-vida
Uma amostra radiativa sempre diminui de massa com o passar do tempo, pois parte dos átomos se desintegra, transformando-se em átomos de outros elementos. Quanto maior o tempo transcorrido do início de uma reação nuclear, menor a quantidade de átomos originais que permanecem intactos. Essa redução sofrida pela amostra é indicada pela unidade meia-vida.
A meia-vida do radônio-222 (Rn222), por exemplo, é de 3,8 dias. Isso significa que, a cada 3,8 dias, qualquer massa desse radioisótopo cai pela metade. Se a massa inicial for de 10 gramas de Rn222, depois de 3,8 dias restarão 5 gramas. Passados outros 3,8 dias, a quantidade cairá, novamente, pela metade, para 2,5 gramas, e assim por diante.
Cada elemento tem seu período de semidesintegração (t1/2). O esquema a seguir mostra como a massa de uma amostra de elemento radiativo qualquer cai na proporção de sua meia-vida.
m0 é a massa inicial da amostra radiativa.
A MEIA-VIDA
(ou período de semidesintegração) de um radioisótopo é o tempo necessário para a desintegração de metade dos átomos existentes em qualquer quantidade desse isótopo. Indica-se meia-vida por t½ .
Meia-vida refere-se à quantidade do material radiativo que permanece intacto. O restante do material, produto do decaimento, não desaparece, apenas não é mais o elemento químico original.
VAI SUMINDO, SUMINDO, SUMINDO… O gráfico “massa por tempo” mostra o ritmo de decaimento radiativo de um radionuclídeo qualquer. Veja que a massa inicial era de 1 kg. Passados cerca de 12 anos, essa massa cai 50% – resta apenas 0,5 kg. Basta ler esse trecho do gráfico para concluir que a meia-vida desse elemento químico é de cerca de 12 anos.
MEIA VIDA
A meia-vida do césio–137 (Cs137) é de 30 anos. Se tivermos 12 gramas desse elemento, após quanto tempo sua massa será reduzida para 0,75 grama?
• Para o Cs137 , t½ = 30 anos.
• Então, a cada 30 anos, a quantidade de césio cairá pela metade:
Portanto, serão necessários 120 anos – ou 4 meias-vidas – para que os 12 g de Cs137 se reduzam a 0,75 g.
Tipos de reação nuclear
A transformação de um elemento químico em outro é chamada transmutação. Pela radiatividade, um átomo pode transmutar-se em outro, de maneira natural, pela emissão espontânea de partículas alfa ou beta. Mas um átomo pode sofrer transmutação, ainda, pela ação de um agente externo – por exemplo, ao ser bombardeado com outras partículas.
Ernest Rutherford realizou a primeira transmutação artifcial, em 1919, ao bombardear átomos de nitrogênio com partículas a e obter átomos de oxigênio mais um próton solto. Foi a primeira vez que se “fabricou” um elemento químico a partir de outro, em laboratório. Veja a reação dessa transmutação:
7N14 + 2α4 → 8O17 + 1p1
Os nêutrons são os agentes de transmutação mais utilizados, pois são as únicas partículas atômicas que não têm carga elétrica. Assim, não são repelidos pelos prótons (positivos) do núcleo do átomo bombardeado. Existem outros dois tipos de reação nuclear: a fissão e a fusão.
Não existe na natureza nenhum elemento químico estável com número atômico acima de 92. Mas vários podem ser fabricados em laboratório, a partir de bombardeamentos. Todos esses átomos superpesados se mantêm inteiros por pouquíssimo tempo. E logo decaem para outros, mais leves.
Fissão nuclear
Se um isótopo pesado de determinado elemento químico é bombardeado com nêutrons de alta energia, esse isótopo pode se quebrar em núcleos menores. É o que se chama fissão nuclear. A fissão nuclear foi conseguida em laboratório, pela primeira vez, em 1938, na Alemanha, quando uma amostra de urânio foi bombardeada por nêutrons. Numa fissão nuclear ocorre uma reação em cadeia. No caso do urânio:
- um nêutron atinge um núcleo do isótopo U235;
- o choque quebra o núcleo em dois núcleos menores (com menor número de massa A);
- ao ser fragmentado, o núcleo original emite dois ou três nêutrons;
- esses nêutrons de novo se chocarão com outros núcleos;
- daí a grande quantidade de energia liberada na fissão nuclear.
A velocidade em que a reação em cadeia ocorre faz toda a diferença. Se ela não for controlada, a reação libera toda a energia num curtíssimo período. É a bomba atômica. Mas, se a reação for controlada, a energia é liberada aos poucos. É o que ocorre nas usinas nucleares, que geram eletricidade, como a de Angra dos Reis, no Rio de Janeiro.
Fusão nuclear
Outro modo de transmutar um elemento químico em outro é fundindo seus núcleos. A fusão nuclear é um processo inverso ao da fissão. Nele, núcleos menores se unem e formam núcleos maiores. A reação de fusão também libera imensa quantidade de energia.
É a fusão nuclear que gera a energia das estrelas, como o Sol: núcleos de hidrogênio se fundem e formam o hélio, liberando nêutrons e energia na forma de vários tipos de radiação, como luz visível e calor. A fusão do hidrogênio em hélio é a principal fusão nuclear do Sol (veja no infográfico abaixo). Mas não é a única. As estrelas são as usinas criadoras de todos os elementos químicos existentes na natureza.
A energia para que dois núcleos atômicos se fundam é muito maior do que a exigida para a divisão nuclear. É que para juntar os prótons é preciso vencer a força de repulsão entre eles. Por isso, a fusão ocorre apenas em ambientes de temperaturas extremamente altas, na casa dos milhões de graus Celsius. Os pesquisadores ainda não desenvolveram um processo economicamente viável e seguro de gerar energia pela fusão nuclear.
