Radioatividade e processos nucleares
O urânio presente nas rochas de boa parte do planeta vem se desintegrando, núcleo a núcleo, desde que a Terra se formou, há 4,5 bilhões de anos. Ninguém consegue prever quando um átomo específico vai se desintegrar. Mesmo assim, com uma amostra de bilhões de átomos é possível prever com grande precisão quanto restará daqui a um ano, um século ou um milênio. Essa mistura de acaso individual e certeza estatística é o coração da radioatividade.
Radiações alfa, beta e gama
Se a radiação emitida por um material radioativo passa por um campo elétrico, o feixe se divide em três: um desvia para um lado, outro para o lado oposto e o terceiro segue reto. Que transformações no núcleo produzem emissões tão diferentes?
Em toda transformação nuclear valem duas leis de conservação (leis de Soddy e Fajans): a soma dos números de massa dos reagentes é igual à dos produtos, e a soma dos números atômicos também.
Os núcleos instáveis emitem três tipos de radiação: alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) e gama ($\gamma$). a) Indique a natureza de cada uma: trata-se de um núcleo de hélio,…
Os núcleos instáveis emitem três tipos de radiação: alfa ($\alpha$), beta ($\beta$) e gama ($\gamma$).
- a) Indique a natureza de cada uma: trata-se de um núcleo de hélio, de um elétron ou de um fóton?
- b) Ordene-as em ordem crescente de massa.
- c) Indique quais têm carga elétrica e com que sinal.
Em um laboratório existem três materiais de proteção: uma folha de papel, uma placa de alumínio de alguns milímetros de espessura e uma parede espessa de chumbo ou de…
Em um laboratório existem três materiais de proteção: uma folha de papel, uma placa de alumínio de alguns milímetros de espessura e uma parede espessa de chumbo ou de concreto. Observe o esquema:
- a) Associe cada material ao tipo de radiação (alfa, beta ou gama) que é suficiente para barrar.
- b) Qual das três radiações é a mais penetrante? E a menos penetrante?
- c) Explique por que os técnicos que trabalham com fontes gama usam telas ou aventais de chumbo.
O urânio-238 se desintegra emitindo uma partícula alfa (um núcleo de hélio-4, ${}^{4}{2}\text{He}$) e se transforma em tório. a) Escreva a equação completa do processo,…
O urânio-238 se desintegra emitindo uma partícula alfa (um núcleo de hélio-4, ${}^{4}_{2}\text{He}$) e se transforma em tório.
- a) Escreva a equação completa do processo, ${}^{238}_{92}\text{U} \rightarrow {}^{A}_{Z}\text{Th} + {}^{4}_{2}\text{He}$, calculando os valores de $A$ e de $Z$.
- b) Enuncie as duas leis de conservação que você aplicou: a do número de massa e a do número atômico.
O carbono-14, utilizado na datação de vestígios arqueológicos, desintegra-se por emissão beta menos: um nêutron do núcleo converte-se em um próton e é emitido um elétron…
O carbono-14, utilizado na datação de vestígios arqueológicos, desintegra-se por emissão beta menos: um nêutron do núcleo converte-se em um próton e é emitido um elétron (${}^{0}_{-1}\text{e}$).
- a) Escreva a equação do processo, ${}^{14}_{6}\text{C} \rightarrow {}^{A}_{Z}\text{N} + {}^{0}_{-1}\text{e}$, calculando $A$ e $Z$.
- b) Explique por que, em um decaimento beta, o número de massa não se altera, mas o número atômico sim.
Após muitos decaimentos alfa ou beta, o núcleo filho fica em um estado excitado e se desexcita emitindo radiação gama. Observe o esquema de níveis: a) Explique o que é a…
Após muitos decaimentos alfa ou beta, o núcleo filho fica em um estado excitado e se desexcita emitindo radiação gama. Observe o esquema de níveis:
- a) Explique o que é a radiação gama: em que ela se assemelha à luz visível e em que difere?
- b) O número de massa $A$ ou o número atômico $Z$ do núcleo se alteram quando ele emite gama? Justifique a resposta.
A radiação alfa é a mais ionizante das três e, contudo, a menos penetrante; a gama é a mais penetrante e a menos ionizante. a) Explique o que significa uma radiação ser…
A radiação alfa é a mais ionizante das três e, contudo, a menos penetrante; a gama é a mais penetrante e a menos ionizante.
- a) Explique o que significa uma radiação ser ionizante.
- b) Justifique por que a radiação alfa, com a sua grande capacidade ionizante, praticamente não atravessa a camada externa da pele.
- c) O amerício-241 dos detectores de fumaça emite alfa: explique por que ele não representa perigo enquanto permanece dentro do invólucro, mas seria perigoso se fosse inalado ou ingerido.
Séries radioativas
O tório-232 (${}^{232}{90}\text{Th}$) emite primeiro uma partícula alfa (${}^{4}{2}\text{He}$) e o núcleo resultante emite depois uma partícula beta menos…
O tório-232 (${}^{232}_{90}\text{Th}$) emite primeiro uma partícula alfa (${}^{4}_{2}\text{He}$) e o núcleo resultante emite depois uma partícula beta menos (${}^{0}_{-1}\text{e}$). Observe o esquema da cascata:
- a) Escreva a equação do primeiro decaimento e identifique o nuclídeo filho (é um isótopo do rádio, com $Z = 88$).
- b) Escreva a equação do segundo decaimento e identifique o nuclídeo final (é um isótopo do actínio, com $Z = 89$).
- c) Verifique que em cada passo se conservam o número de massa e o número atômico.
Na série radioativa do urânio, o núcleo de rádio-226 (${}^{226}{88}\text{Ra}$) acaba se transformando em chumbo-206 (${}^{206}{82}\text{Pb}$), emitindo unicamente…
Na série radioativa do urânio, o núcleo de rádio-226 (${}^{226}_{88}\text{Ra}$) acaba se transformando em chumbo-206 (${}^{206}_{82}\text{Pb}$), emitindo unicamente partículas alfa e beta menos. Observe o esquema:
- a) Cada emissão alfa reduz $A$ em $4$ unidades e cada beta menos não o altera: calcule quantas partículas alfa são emitidas no total para passar de $A = 226$ a $A = 206$.
- b) Levando em conta que cada alfa reduz $Z$ em $2$ unidades e cada beta menos o aumenta em $1$, calcule quantas emissões beta menos são necessárias para terminar em $Z = 82$.
- c) Verifique que o balanço final das duas leis de conservação é coerente.
Meia-vida e atividade
A meia-vida de um isótopo radioativo é o tempo que a quantidade de núcleos por desintegrar leva para se reduzir à metade. Uma fonte de laboratório contém $100\ \text{g}$…
A meia-vida de um isótopo radioativo é o tempo que a quantidade de núcleos por desintegrar leva para se reduzir à metade. Uma fonte de laboratório contém $100\ \text{g}$ de determinado isótopo. A figura mostra a curva de decaimento dele.
- a) Quantos gramas restam por desintegrar depois de decorrida uma meia-vida?
- b) E depois de decorridas duas meias-vidas? E três?
- c) Escreva, em função de $n$, a expressão geral da fração que resta após $n$ meias-vidas.
A atividade de uma amostra radioativa é o número de desintegrações que ocorrem nela a cada segundo, e é medida em becquerel ($1\ \text{Bq} = 1$ desintegração por…
A atividade de uma amostra radioativa é o número de desintegrações que ocorrem nela a cada segundo, e é medida em becquerel ($1\ \text{Bq} = 1$ desintegração por segundo).
- a) Em uma amostra de laboratório contam-se $12000$ desintegrações em um minuto: calcule a atividade dela em becquerel.
- b) Explique o que acontece com a atividade de uma amostra à medida que o tempo passa, relacionando isso com a diminuição do número de núcleos.
O iodo-131, utilizado em medicina nuclear, tem uma meia-vida de $8$ dias. Um hospital recebe uma amostra de $80\ \text{mg}$. a) Quantas meias-vidas decorreram ao final…
O iodo-131, utilizado em medicina nuclear, tem uma meia-vida de $8$ dias. Um hospital recebe uma amostra de $80\ \text{mg}$.
- a) Quantas meias-vidas decorreram ao final de $32$ dias?
- b) Calcule a massa de iodo-131 que resta por desintegrar ao final de $32$ dias.
- c) Expresse essa massa em porcentagem da massa inicial.
O tecnécio-99m, o radiofármaco mais utilizado em diagnóstico, tem uma meia-vida de $6\ \text{h}$. É administrada a um paciente uma dose cuja atividade inicial é de…
O tecnécio-99m, o radiofármaco mais utilizado em diagnóstico, tem uma meia-vida de $6\ \text{h}$. É administrada a um paciente uma dose cuja atividade inicial é de $800\ \text{MBq}$ (lembre-se de que o prefixo mega significa $10^{6}$).
- a) Calcule a atividade restante após $6\ \text{h}$.
- b) Calcule a atividade restante ao fim de um dia completo, $24\ \text{h}$.
- c) Justifique por que uma meia-vida tão curta é uma vantagem para o paciente e, ao mesmo tempo, um problema logístico para o hospital.
Uma fonte de cobalto-60 de um aparelho de radioterapia tem uma meia-vida de $5,27$ anos e uma atividade inicial de $3,7 \cdot 10^{11}\ \text{Bq}$. a) Expresse $12,5\ \%$…
Uma fonte de cobalto-60 de um aparelho de radioterapia tem uma meia-vida de $5,27$ anos e uma atividade inicial de $3,7 \cdot 10^{11}\ \text{Bq}$.
- a) Expresse $12,5\ \%$ da atividade inicial como uma potência de $\frac{1}{2}$.
- b) Calcule quantas meias-vidas devem decorrer para que a fonte fique reduzida a esse valor e o tempo total correspondente.
- c) Calcule a atividade da fonte nesse instante.
No laboratório estuda-se uma fonte radioativa de isótopo desconhecido: verifica-se que em $24$ dias a sua atividade se reduziu a um quarto da inicial. a) Expresse a…
No laboratório estuda-se uma fonte radioativa de isótopo desconhecido: verifica-se que em $24$ dias a sua atividade se reduziu a um quarto da inicial.
- a) Expresse a fração restante como potência de $\frac{1}{2}$ e deduza quantas meias-vidas decorreram.
- b) Calcule a meia-vida do isótopo.
- c) Preveja que fração da atividade inicial restará após mais $24$ dias, e comprove por meio do cálculo.
Datação com carbono-14
Como os cientistas descobrem a idade de ossos encontrados perto das cavernas de Lagoa Santa, em Minas Gerais, ou de uma peça de madeira antiga?
Em restos ósseos encontrados perto das cavernas de Lagoa Santa mede-se que a proporção de carbono-14 atual é um quarto daquela que os ossos tinham quando o animal…
Em restos ósseos encontrados perto das cavernas de Lagoa Santa mede-se que a proporção de carbono-14 atual é um quarto daquela que os ossos tinham quando o animal morreu. A meia-vida do carbono-14 é de $5730$ anos. A figura mostra a curva de decaimento do carbono-14.
- a) Quantas meias-vidas se passaram desde a morte do animal?
- b) Calcule a idade dos vestígios.
- c) Explique por que o carbono-14 de um organismo deixa de ser reposto quando ele morre, e por que isso permite utilizá-lo como "relógio".
Na madeira de um barco atribuído aos vikings, mede-se que a concentração de carbono-14 é um oitavo da da madeira atual. A meia-vida do carbono-14 é de $5730$ anos. a)…
Na madeira de um barco atribuído aos vikings, mede-se que a concentração de carbono-14 é um oitavo da da madeira atual. A meia-vida do carbono-14 é de $5730$ anos.
- a) Exprima a fração $\frac{1}{8}$ como potência de $\frac{1}{2}$ e deduza quantas meias-vidas se passaram desde que a árvore foi cortada.
- b) Calcule a idade da madeira.
- c) Os vikings navegaram há cerca de $1000$ anos: comente se o resultado é compatível com essa época e que conclusões poderiam ser tiradas sobre o barco.
A atividade do carbono-14 nos organismos vivos é de cerca de $15$ desintegrações por minuto e por grama de carbono. Em um tecido humano pré-histórico mede-se uma…
A atividade do carbono-14 nos organismos vivos é de cerca de $15$ desintegrações por minuto e por grama de carbono. Em um tecido humano pré-histórico mede-se uma atividade de apenas $1$ desintegração por minuto e grama; considere-a como $\frac{1}{16}$ da inicial. A meia-vida do carbono-14 é de $5730$ anos.
- a) Calcule a idade do tecido.
- b) Estime a atividade que mediríamos em uma amostra com cerca de $60000$ anos (cerca de $10$ meias-vidas) e explique por que o método do carbono-14 deixa de ser confiável para idades tão elevadas.
Um aficionado por paleontologia propõe datar com carbono-14 um fêmur de dinossauro com $66$ milhões de anos de idade. A meia-vida do carbono-14 é de $5730$ anos e a do…
Um aficionado por paleontologia propõe datar com carbono-14 um fêmur de dinossauro com $66$ milhões de anos de idade. A meia-vida do carbono-14 é de $5730$ anos e a do potássio-40 é de $1,25 \cdot 10^{9}$ anos.
- a) Calcule a quantas meias-vidas do carbono-14 correspondem esses $66$ milhões de anos.
- b) Estime que fração de carbono-14 restaria no osso e explique por que o método se torna inútil neste caso.
- c) Fundamente que condição a meia-vida de um isótopo deve cumprir para servir para datar uma amostra de determinada idade, e justifique por que, para rochas de milhões de anos, se usam isótopos de meia-vida longa como o potássio-40.
Fissão e fusão nuclear
Quebrar um núcleo enorme de urânio com um nêutron e forçar dois núcleos minúsculos de hidrogênio a se unir liberam muita energia. Como dois processos opostos podem liberar energia nos dois extremos da tabela periódica?
As duas vias para obter energia a partir dos núcleos são a fissão e a fusão. a) Defina com suas palavras em que consiste cada uma. b) Dê um exemplo de onde ocorre cada…
As duas vias para obter energia a partir dos núcleos são a fissão e a fusão.
- a) Defina com suas palavras em que consiste cada uma.
- b) Dê um exemplo de onde ocorre cada uma, de forma natural ou tecnológica.
- c) Qual dos dois processos é a fonte de energia do Sol? Justifique.
Uma das reações de fissão possíveis do urânio-235 é…
Uma das reações de fissão possíveis do urânio-235 é ${}^{235}_{92}\text{U} + {}^{1}_{0}\text{n} \rightarrow {}^{141}_{56}\text{Ba} + {}^{92}_{36}\text{Kr} + x \cdot {}^{1}_{0}\text{n}$. Observe o esquema do processo:
- a) Aplicando a conservação do número de massa, calcule o valor de $x$.
- b) Verifique que também se conserva o número atômico.
- c) Explique por que razão o fato de se liberarem vários nêutrons em cada fissão torna possível uma reação em cadeia.
Nos reatores experimentais de fusão utiliza-se a reação entre o deutério (${}^{2}{1}\text{H}$) e o trítio (${}^{3}{1}\text{H}$):…
Nos reatores experimentais de fusão utiliza-se a reação entre o deutério (${}^{2}_{1}\text{H}$) e o trítio (${}^{3}_{1}\text{H}$): ${}^{2}_{1}\text{H} + {}^{3}_{1}\text{H} \rightarrow {}^{4}_{2}\text{He} + {}^{A}_{Z}\text{X}$. Observe o esquema:
- a) Identifique a partícula ${}^{A}_{Z}\text{X}$ emitida, calculando seus valores de $A$ e de $Z$.
- b) Para que dois núcleos se fundam, eles têm de se aproximar até cerca de $10^{-15}\ \text{m}$: explique que força é preciso vencer e por que razão é necessário aquecer o gás a mais de $10^{8}\ \text{K}$.
Voltando ao início: o urânio-238 tem meia-vida de $4{,}5$ bilhões de anos, aproximadamente a idade da Terra. Assim, ainda resta cerca de metade do urânio-238 que existia quando o planeta se formou.