Desintegração radioativa, fissão e fusão nuclear
Em setembro de 1987, em Goiânia, um pó azul brilhante encontrado num aparelho de radioterapia abandonado encantou várias pessoas. Era cloreto de césio-137, um material radioativo. Por que um pó pode emitir radiação sozinho, durante décadas, sem "acabar"? E como a mesma radioatividade aparece nas usinas de Angra dos Reis e até no Sol? Vamos descobrir.
Núcleos instáveis e radiações
Até aqui, as reações químicas mexiam só nos elétrons dos átomos. Nas transformações nucleares, quem muda é o núcleo, e por isso o elemento químico pode mudar.
Alguns núcleos são instáveis: têm prótons e nêutrons em uma combinação que não se sustenta. Para ficarem mais estáveis, eles emitem partículas ou energia. Esse fenômeno é a radioatividade, e o processo é a desintegração (ou decaimento) radioativa.
As três emissões principais são:
| Radiação | Natureza | Carga | Símbolo |
|---|---|---|---|
| Alfa ($\alpha$) | 2 prótons + 2 nêutrons (núcleo de hélio) | $+2$ | $^{4}_{2}\alpha$ |
| Beta ($\beta^-$) | um elétron emitido pelo núcleo | $-1$ | $^{0}_{-1}\beta$ |
| Gama ($\gamma$) | onda eletromagnética de alta energia | $0$ | $\gamma$ |
De onde sai um elétron do núcleo? Dentro do núcleo, um nêutron se transforma em um próton e um elétron. O próton fica no núcleo (o número atômico aumenta em 1) e o elétron é expulso: é a partícula beta.
A radiação alfa é pesada e pouco penetrante, mas muito perigosa se for ingerida ou inalada. A gama é a mais penetrante.
Descreva, com suas palavras, o que são as partículas alfa ($\alpha$) e beta ($\beta^-$) emitidas por núcleos radioativos. Indique, para cada uma, a composição e a carga…
Descreva, com suas palavras, o que são as partículas alfa ($\alpha$) e beta ($\beta^-$) emitidas por núcleos radioativos. Indique, para cada uma, a composição e a carga elétrica.
Equações nucleares
Numa equação nuclear, duas grandezas se conservam: a soma dos números de massa ($A$, em cima) e a soma dos números atômicos ($Z$, embaixo) são iguais nos dois lados da seta.
Por que o $A$ não muda na beta? Porque o elétron tem massa desprezível e o nêutron virou próton: o total de partículas no núcleo continua o mesmo.
Quando há várias emissões em sequência, aplique as regras uma a uma. Cada partícula alfa tira 2 de $Z$ e 4 de $A$; cada beta soma 1 a $Z$.
O isótopo $^{238}{92}\text{U}$ emite uma partícula alfa. Escreva a equação nuclear dessa desintegração e indique o número atômico e o número de massa do núcleo formado.
O isótopo $^{238}_{92}\text{U}$ emite uma partícula alfa. Escreva a equação nuclear dessa desintegração e indique o número atômico e o número de massa do núcleo formado.
O isótopo $^{214}{82}\text{Pb}$ sofre emissão de uma partícula beta ($\beta^-$) e forma um novo elemento. Escreva a equação da desintegração, identifique o elemento…
O isótopo $^{214}_{82}\text{Pb}$ sofre emissão de uma partícula beta ($\beta^-$) e forma um novo elemento. Escreva a equação da desintegração, identifique o elemento formado usando a tabela periódica e explique o que acontece com o número atômico e com o número de massa nesse processo.
O $^{238}{92}\text{U}$ emite sucessivamente $2$ partículas alfa e depois $2$ partículas beta ($\beta^-$). Escreva a sequência de equações nucleares, determine o número…
O $^{238}_{92}\text{U}$ emite sucessivamente $2$ partículas alfa e depois $2$ partículas beta ($\beta^-$). Escreva a sequência de equações nucleares, determine o número atômico e o número de massa do núcleo final e identifique o elemento. Depois, explique se o núcleo final é isótopo do urânio de partida e justifique sua resposta.
Meia-vida
Não dá para prever quando um núcleo específico vai se desintegrar, mas, numa amostra com bilhões deles, a fração que decai em certo tempo é constante. Por isso criou-se a meia-vida ($t_{1/2}$).
A cada meia-vida, a quantidade de material radioativo cai pela metade, sempre, não importa quanto sobrou.
No caso do césio-137 (Goiânia), a meia-vida é de cerca de 30 anos: por isso a área contaminada precisou de décadas de monitoramento. O iodo-131, usado em exames da tireoide, tem meia-vida de uns 8 dias, o que ajuda a limitar a exposição do paciente.
Uma amostra de um radioisótopo tem massa inicial de $80$ mg e meia-vida de $6$ horas. Calcule a massa desse radioisótopo que ainda restará na amostra após $24$ horas e…
Uma amostra de um radioisótopo tem massa inicial de $80$ mg e meia-vida de $6$ horas. Calcule a massa desse radioisótopo que ainda restará na amostra após $24$ horas e explique o raciocínio que você usou.
Fissão e fusão nuclear
Quando um núcleo muda, a energia liberada é enorme: milhões de vezes maior que numa reação química. Há duas formas principais de obtê-la.
| Fissão | Fusão | |
|---|---|---|
| Núcleos | pesados (ex.: urânio-235) | leves (ex.: hidrogênio) |
| Processo | divisão | união |
| Onde ocorre | usinas nucleares, bombas atômicas | Sol e estrelas |
| Condição | nêutron incidente | temperatura de milhões de graus |
Um exemplo de fissão:
$$^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + 3\ {}^{1}_{0}\text{n}$$Os 3 nêutrons liberados podem atingir outros núcleos de urânio e provocar uma reação em cadeia. Em uma usina, ela é controlada; em uma bomba, não.
Na fusão, dois núcleos de hidrogênio (isótopos deutério e trítio) formam hélio e liberam um nêutron e muita energia. É o que acontece no Sol, que "queima" hidrogênio e produz hélio há bilhões de anos.
Energia nuclear: vantagens e riscos
As usinas de Angra dos Reis (RJ) geram eletricidade por fissão do urânio.
-
Vantagens: não emitem CO₂ durante a operação; produzem muita energia com pouco combustível; funcionam o ano todo, independentemente de chuva ou vento.
-
Riscos: acidentes graves, ainda que raros; rejeitos radioativos que precisam de armazenamento seguro; custo alto de construção e de desativação.
O desafio dos rejeitos está na meia-vida: alguns isótopos permanecem radioativos por séculos ou milênios, e o armazenamento precisa ser monitorado durante todo esse tempo. Dizer que a energia nuclear é "limpa e sem problemas" ignora os rejeitos. Dizer que é "perigosa demais" ignora que ela tem baixo impacto em emissões de gases do efeito estufa. Uma posição fundamentada considera os dois lados.
Explique a diferença entre fissão nuclear e fusão nuclear. Cite um exemplo de onde cada um desses processos ocorre ou é utilizado.
Explique a diferença entre fissão nuclear e fusão nuclear. Cite um exemplo de onde cada um desses processos ocorre ou é utilizado.
Um núcleo de $^{235}{92}\text{U}$ absorve um nêutron e se divide em $^{141}{56}\text{Ba}$, um outro núcleo e $3$ nêutrons. Determine o número atômico e o número de massa…
Um núcleo de $^{235}_{92}\text{U}$ absorve um nêutron e se divide em $^{141}_{56}\text{Ba}$, um outro núcleo e $3$ nêutrons. Determine o número atômico e o número de massa do outro núcleo formado, identifique-o na tabela periódica e explique por que esse processo é classificado como fissão nuclear.
Uma usina nuclear brasileira, como as de Angra dos Reis, gera energia por fissão do urânio, e uma parte dos resíduos permanece radioativa por muito tempo. Um residente…
Uma usina nuclear brasileira, como as de Angra dos Reis, gera energia por fissão do urânio, e uma parte dos resíduos permanece radioativa por muito tempo. Um residente de uma cidade vizinha defende que a energia nuclear é "limpa e sem problemas", enquanto outro afirma que ela é "perigosa demais para ser usada". Analise os dois argumentos, apresentando pelo menos duas vantagens e dois riscos dessa fonte de energia. Em seguida, relacione a meia-vida dos resíduos com o desafio de armazená-los e posicione-se de forma fundamentada.
Volte ao começo: o pó de césio-137 de Goiânia brilhava porque seus núcleos instáveis seguem emitindo radiação por décadas, já que a meia-vida é de cerca de 30 anos e o material só diminui pela metade a cada período.
Resumo
-
Núcleos instáveis emitem radiação: alfa ($^4_2\alpha$, carga $+2$), beta ($^0_{-1}\beta$, carga $-1$) e gama (energia, sem massa e sem carga).
-
Nas equações nucleares, conservam-se a soma dos números de massa e a soma dos números atômicos.
-
Alfa: $Z$ diminui 2 e $A$ diminui 4. Beta: $Z$ aumenta 1 e $A$ não muda.
-
Meia-vida: tempo para metade dos núcleos decair; após $n$ meias-vidas resta $m_0/2^n$.
-
Fissão: núcleo grande se divide (usinas, Angra dos Reis). Fusão: núcleos leves se unem (Sol).
-
A energia nuclear tem vantagens (sem CO₂ na operação) e riscos (acidentes e rejeitos de longa meia-vida).