Introdução à Radioatividade

        A radioatividade é um fenômeno natural no qual os núcleos instáveis de átomos se desintegram espontaneamente, emitindo radiação na forma de partículas ou ondas eletromagnéticas. Descoberta por Henri Becquerel em 1896, a radioatividade tem sido fundamental para avanços significativos na física, química e medicina. 

        Este artigo explora os tipos de radiação, os processos de decaimento radioativo, aplicações práticas e medidas de segurança associadas à radioatividade.

Descoberta da Radioatividade

Henri Becquerel e a Primeira Evidência

        A história da radioatividade começou com a descoberta acidental feita por Henri Becquerel em 1896. Becquerel estava investigando a fosforescência de sais de urânio quando observou que placas fotográficas, envoltas em papel preto e armazenadas próximas aos sais, ficavam obscurecidas. 

        Ele concluiu que os sais de urânio estavam emitindo uma forma desconhecida de radiação capaz de penetrar o papel. Esse fenômeno, inicialmente chamado de "radiação de Becquerel", foi a primeira evidência da radioatividade.

Marie e Pierre Curie

        A descoberta de Becquerel inspirou Marie e Pierre Curie a investigar mais a fundo. Em 1898, os Curie isolaram dois novos elementos radioativos: polônio e rádio. 

        Eles observaram que esses elementos emitiam radiação de maneira contínua e espontânea, sem necessidade de uma fonte externa de energia. O termo "radioatividade" foi cunhado por Marie Curie para descrever essa propriedade dos elementos.

 Desenvolvimento Teórico - Ernest Rutherford e o Modelo Atômico

        Ernest Rutherford desempenhou um papel crucial na compreensão da radioatividade. Em 1899, ele identificou dois tipos de radiação emitidos pelos elementos radioativos, que chamou de alfa (α) e beta (β). 

        Posteriormente, em 1903, Paul Villard descobriu um terceiro tipo, a radiação gama (γ). Rutherford também formulou o modelo nuclear do átomo, com um núcleo denso e positivo cercado por elétrons, após seu famoso experimento da folha de ouro em 1911.

Teoria do Decaimento Radioativo

        Frederick Soddy e Rutherford propuseram a teoria do decaimento radioativo, sugerindo que átomos de elementos radioativos se transformam em átomos de outros elementos ao emitir radiação. 

        Em 1902, eles introduziram o conceito de meia-vida, o tempo necessário para que metade dos núcleos de uma amostra radioativa se desintegre. Essa teoria foi fundamental para a compreensão dos processos radioativos e a estrutura atômica.

 Tipos de Radiação

        Existem três tipos principais de radiação emitida durante o decaimento radioativo:

Radiação Alfa (α)

        A radiação alfa consiste em partículas compostas por dois prótons e dois nêutrons, o que equivale a núcleos de hélio. Essas partículas possuem carga positiva e são relativamente pesadas, resultando em baixa penetração. 

        Elas podem ser bloqueadas por uma folha de papel ou pela pele humana. No entanto, devido à sua alta capacidade ionizante, podem causar danos significativos se ingeridas ou inaladas.

O decaimento alfa ocorre em núcleos pesados que emitem partículas alfa (dois prótons e dois nêutrons). Esta emissão reduz o número atômico do núcleo em 2 e o número de massa em 4.

Características:

• A partícula alfa é equivalente a um núcleo de hélio. 
• Decaimento típico em elementos como Plutônio, Urânio e Tório 

Decaimento Alfa do núcleo de Rádio

Imagem by Mike Corre by commons.wikimedia.org

Exemplo de Decaimento Alfa: ​

        Na primeira equação um núcleo de Urânio-238  sofre decaimento alfa. Temos a emissão da partícula alfa, ou seja um núcleo com dois prótons e dois nêutrons. Desta maneira o número de massa do novo radioisótopo será  alterado (238-4 = 234) e também seu número atômico (92 - 2 = 90). Temos então depois do decaimento o radioisótopo Tório-234. 

        Temos o mesmo processo na segunda equação, desta vez o radioisótopo do Radônio-222 sofre o decaimento alfa e transmuta-se no Polônio-218.

número de massa 222 - 4 =218 e número atômico 86 - 2 = 84  

Radiação Beta (β)

        A radiação beta é de dois tipos: beta negativa (β-) e beta positiva (β+). A β- consiste em elétrons emitidos pelo núcleo, enquanto a β+ envolve pósitrons, que são antielétrons. 

        A radiação beta é mais penetrante que a alfa, podendo atravessar alguns milímetros de materiais como alumínio. Ambas as formas são ionizantes e podem causar danos a tecidos vivos.

        O decaimento beta envolve a transformação de um nêutron em um próton ou vice-versa, acompanhado pela emissão de uma partícula beta (elétron ou pósitron) e uma partícula neutrino ou antineutrino.

Decaimento beta (-) (imagem acima); Decaimento Beta (+) (imagem abaixo)
imagem by Shreya Jaiswal08 /commons.wikimedia.org

Beta menos (β-)

Um nêutron se transforma em um próton, emitindo um elétron e um antineutrino.

Características:

• Aumenta o número atômico em 1, mas o número de massa permanece o mesmo.

Exemplo de Decaimento Beta 

Um núcleo de Cobre-64 sofre decaimento beta menos. Escreva a equação nuclear do processo.

        Solução: No decaimento beta acima um nêutron se transforma em um próton e emite o elétron e o antineutrino. Desta maneira no núcleo temos um próton a mais o que favorece ao aumento do número atômico do radioisótopo do Cobre-64 e sua transformação em Zinco-64.   

​Beta mais (β+)

Um próton se transforma em um nêutron, emitindo um pósitron e um neutrino.

Características:

• Diminui o número atômico em 1, mas o número de massa permanece o mesmo.

Exemplo de Decaimento Beta Mais: 

        Um núcleo de Carbono-10 sofre decaimento beta mais. Neste processo um próton se transforma em um nêutron emite um pósitron e um neutrino, conforme mostra a figura anterior. Temos uma diminuição no número atômico (com a transformação do próton) e a manutenção do número de massa, ou seja a soma de nêutrons e prótons no núcleo não se altera. O Carbono-10 transmuta-se em Boro-10. 

Radiação Gama (γ)

        A radiação gama é composta por ondas eletromagnéticas de alta energia, sem massa ou carga. É extremamente penetrante e requer materiais densos como chumbo ou concreto para seu bloqueio eficaz.

         Embora seja menos ionizante comparada às radiações alfa e beta, a exposição prolongada pode ser perigosa.

O decaimento gama envolve a emissão de radiação eletromagnética de alta energia (fótons gama) sem alterar o número de prótons ou nêutrons no núcleo.

Características:

• Normalmente ocorre após um decaimento alfa ou beta, quando o núcleo filho ainda está em um estado excitado.
• Não altera a composição do núcleo, apenas libera energia.

Decaimento Gama

Imagem - Domínio público

Decaimento Radioativo

        O decaimento radioativo é descrito pela desintegração espontânea de núcleos instáveis, e segue a lei da desintegração exponencial:

Fórmula do Decaimento Radioativo

onde:

- ( N(t)) é o número de núcleos restantes no tempo ( t ),

-( N_0 ) é o número inicial de núcleos,

- (lambda ) é a constante de decaimento.

A meia-vida é o tempo necessário para que metade dos núcleos de uma amostra se desintegre.

Aplicações da Radioatividade

Medicina

 Diagnóstico

        Técnicas como a tomografia por emissão de pósitrons (PET) e a cintilografia usam radioisótopos para obter imagens detalhadas do corpo humano, ajudando no diagnóstico de doenças como câncer e condições cardíacas.

Tratamento

        A radioterapia utiliza radiação para destruir células cancerosas. Isótopos como o iodo-131 são usados no tratamento de doenças da tireoide, enquanto o cobalto-60 é empregado na radioterapia de tumores.

 Indústria

 Controle de Qualidade

        A radioatividade é utilizada em técnicas de controle de qualidade, como radiografia industrial, para detectar falhas em soldas e estruturas metálicas.

Esterilização

        A radiação gama é usada para esterilizar equipamentos médicos e alimentos, eliminando microorganismos sem a necessidade de altas temperaturas ou produtos químicos.

Energia Nuclear

        A energia nuclear é gerada através da fissão de núcleos de urânio-235 ou plutônio-239 em reatores nucleares. Este processo libera uma enorme quantidade de energia, usada para produzir eletricidade de forma eficiente. A fusão nuclear, embora ainda em desenvolvimento, promete uma fonte de energia limpa e abundante no futuro.

 Impactos Ambientais e Medidas de Segurança

 Impactos Ambientais

        Os resíduos nucleares representam um desafio significativo devido à sua longa meia-vida e potencial perigo ambiental. A gestão adequada desses resíduos é crucial para minimizar riscos à saúde humana e ao meio ambiente.

Segurança

        A manipulação de materiais radioativos exige rigorosos protocolos de segurança para evitar a exposição a radiações ionizantes. Equipamentos de proteção, procedimentos de manuseio seguro e monitoramento contínuo são essenciais para proteger trabalhadores e o público em geral.

 Regulamentação

        Organizações como a Agência Internacional de Energia Atômica (IAEA) e a Comissão Internacional de Proteção Radiológica (ICRP) estabelecem diretrizes e normas para garantir a segurança na utilização da radioatividade.

 Conclusão

        A radioatividade é um fenômeno com aplicações vastas e impactantes em diversas áreas do conhecimento e da indústria. Desde o diagnóstico e tratamento de doenças até a geração de energia e controle de qualidade industrial, a radioatividade continua a ser uma ferramenta poderosa. 

        No entanto, a sua manipulação exige cuidado extremo e respeito às normas de segurança para evitar os riscos associados.

Referências

1. Halliday, D., Resnick, R., & Walker, J. (2004). Fundamentals of Physics_. John Wiley & Sons.

2. Krane, K. S. (1988)._Introductory Nuclear Physics_. John Wiley & Sons.

3. Podgorsak, E. B. (2005). Radiation Physics for Medical Physicists_. Springer.

4. Friedlander, G., Kennedy, J. W., & Miller, J. M. (1981). Nuclear and Radiochemistry_. John Wiley & Sons.

 5. Knoll, G. F. (2010). Radiation Detection and Measurement_. John Wiley & Sons.

6. International Atomic Energy Agency (IAEA). Radiation Protection and Safety of Radiation Sources: International Basic Safety Standards_.

 7. U.S. Environmental Protection Agency (EPA). Radiation Protection_.

  Autor: Nilson Andrade

Professor Mestre em Ensino de Física e graduado em Licenciatura em Física.

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