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1ª série · Química
Radioatividade e Energia Nuclear · Transformações nucleares

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.

Poder de penetração das radiações: a alfa é barrada por uma folha de papel, a beta por uma placa de alumínio e a gama só por chumbo ou concreto espesso. Fonte Papel Alumínio Chumbo alfa (α) beta (β) gama (γ): atravessa quase tudo

A radiação alfa é pesada e pouco penetrante, mas muito perigosa se for ingerida ou inalada. A gama é a mais penetrante.

Pratica★☆☆Por começar
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.

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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 $Z$.

Pratica★☆☆Por começar
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.

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Pratica★★☆Por começar
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.

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Pratica★★★Por começar
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.

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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.

Gráfico da massa restante em função do tempo: cai de 100% para 50%, 25% e 12,5% a cada meia-vida. 0 1 2 3 meias-vidas 100% 50% 25% 12,5%

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.

Pratica★★☆Por começar
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.

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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.

Pratica★☆☆Por começar
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.

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Pratica★★☆Por começar
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.

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Pratica★★★Por começar
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.

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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).

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