Estrutura da materia e radioatividade

Estrutura da materia e radioatividade

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CAPITULO 2 ESTRUTURA DA MATERIA E RADIOATIVIDADE

2.1 ESTRUTURA DA MATERIA

O átomo é a menor unidade de matéria que conserva a identidade de um elemento químico. Ele é formado por um núcleo, localizado na região central e por uma eletrosfera na qual orbitam os elétrons. O elétron tem a carga elétrica negativa e de mesmo valor da carga do próton e massa igual a 1/1840 vezes a massa do próton. Os elétrons se distribuem em camadas de tal modo que cada camada acomoda um número definido de elétrons.

ElétronElétron (tamanho de uma mosca)(tamanho de uma mosca)

Núcleo 1 cmNúcleo 1 cm

(bola de (bola de gudegude))

Cada elétron está ligado ao núcleo pela força de atração entre as cargas positivas do núcleo e a sua carga negativa. A energia consumida neste acoplamento se denomina energia de ligação. Para elementos de número atômico elevado a energia de ligação dos elétrons próximos ao núcleo é muito alta, atingindo a faixa de 100keV, enquanto que a dos elétrons mais externos é da ordem de eV.

O núcleo atômico é constituído de prótons e nêutrons. O próton tem carga elétrica positiva e igual a 1,60 x 10-19 C e massa aproximadamente igual a uma unidade de massa atômica (1,67 x 10-27 kg). O número de prótons no átomo é chamado de Número Atômico, e é designado pelo símbolo Z. O número de prótons determina as propriedades do átomo e, portanto define o elemento.

A possibilidade que cada um desses elementos tem de combinar-se com átomos da mesma (ou de outra) espécie para formar as moléculas dos compostos químicos depende do seu numero atômico Z. Os responsáveis por ligações entre os elementos químicos são os elétrons. Para cada eletron corresponde um próton no núcleo.

O nêutron é uma partícula sem carga e com massa aproximadamente igual a uma unidade de massa atômica.

Quando se considera a massa do átomo a massa do elétron é desprezada de modo que a massa atômica corresponde ao número total de prótons e nêutrons no núcleo e é designada pelo símbolo A.

Embora todos os átomos de um dado elemento contenham o mesmo número de prótons, eles podem conter diferentes números de nêutrons. Estas diferentes formas de um elemento são chamadas isótopos.

Isótopos são nuclídeos com mesmo número atômico e diferentes números de massa. Ex: O 131I tem 53 prótons e 78 neutrons, enquanto que o 127I tem 53 prótons e 74 neutrons.

Muitos elementos ocorrem naturalmente como uma mistura de isótopos enquanto que alguns isótopos são produzidos pelo bombardeio de um núcleo natural por partículas nucleares, por exemplo, neutrons. Estes isótopos artificiais são instáveis e decaem emitindo radiação.

Isótopos

2.2 RADIOATIVIDADE

instabilidade do núcleoNesta situação, o núcleo que se encontra em estado instável

A estabilidade de um núcleo é garantida pelo equilíbrio entre as forças nucleares e de repulsão eletrostática. Quando há um desequilíbrio entre estas forças, ocorre a procura atingir o estado de maior estabilidade emitindo partículas ou radiações eletromagnéticas. A este fenômeno de transmutação dos núcleos instáveis chama-se radioatividade. Neste processo podem ser emitidas partículas alfa (α), beta (β), ou radiação

gama (γ). O modo de decaimento depende do tipo de instabilidade nuclear, que é dado pela relação entre o número de nêutrons e o número de prótons. No fenômeno de desintegração radioativa os núcleos produtos podem ser formados no estado instável ou estável. Se os produtos são estáveis, então decairão produzindo outro núcleo que pode também ser radioativo e assim sucessivamente. Este processo pode continuar ao longo de vários estágios até que se forme um núcleo estável

Decaimento radioativo

Gráfico do decaimento radioativo (# átomos radioativos X meia-vida)

O decaimento de um dado átomo é um evento puramente aleatório (randômico), isto é, não é possível prever o instante em que o átomo irá decair, podendo-se apenas associar a este átomo instável uma probabilidade de vir a decair num certo intervalo de tempo. O número de átomos que se desintegram num certo intervalo de tempo é proporcional ao número de átomos radioativos presentes na amostra e a taxa de desintegração é chamada de atividade. Ao intervalo de tempo requerido para que a metade do número dos átomos presentes na amostra sofra decaimento é denominado de meia vida (T1/2). Os valores para a meia vida variam de frações de segundos à bilhões de anos. Portanto, após uma meia vida o número (N) de átomos na amostra será N0/2, após duas meias vidas será N0/4 e assim por diante. A figura mostra a variação do número de átomos em função do tempo.

A tabela exemplifica as meias-vidas de alguns elementos radioativos.

ElementoMeia vida

U 2354,5 bilhoes de anos K 401,3 bilhoes de anos Cs 13730 anos Sr 9028 anos H 312.26 anos C 145,73 anos I 1318 semanas Ca 45163 dias S 3587 dias I 12560,2 dias P 3214,3 dias C 906 horas

Tabela de meia vida de elementos radioativos

A atividade de um radioisótopo é caracterizada pelo número desintegrações ou de transformações nucleares que ocorrem num certo intervalo de tempo. Pode-se expressá-la através da fórmula:

A= λ.N, ou seja: A = Ao. e-λ . t

Ao = atividade inicial do elemento radioativo. A = atividade do elemento radioativo após decorrido um certo intervalo de tempo.

λ = constante de desintegração característica do material radioativo.

t = tempo decorrido.

Portanto, a atividade de um certo elemento diminui progressivamente com o passar do tempo, porém nunca se torna igual a zero.

Unidades de atividade

A unidade padrão de atividade é o Becquerel (Bq) que corresponde a uma desintegração por segundo.

1 Bq = 1 s-1

A unidade padrão da atividade, até pouco tempo atrás, era o Curie, cujo símbolo é o Ci e que corresponde a 3,7 x 1010 desintegrações por segundo. Para se medir quantidades de atividades grandes ou pequenas, múltiplos ou frações da unidade básica são usados.

As relações entre o Bq e o Ci são: 1Ci = 3,7 x 1010 Bq Os múltiplos e submúltiplos das unidades de atividade são:

Múltiplos Símbolos Valor Submúltiplos Símbolos Valor

Tabela de múltiplos e sub-múltiplos

Em 1889, Henri Becquerel, realizando experimentos com sais de urânio, descobriu a existência de novos tipos de radiação que apresentavam as seguintes propriedades: –Escurecem filmes

–Ionizam gases

– Produzem cintilação

–Não são afetados por alterações químicas e físicas dos materiais

As radiações originam-se no núcleo dos átomos radioativos. As partículas alfa que consistem em prótons e nêutrons, são fragmentos dos núcleos que as emitem. Na radiação beta, um elétron é criado pela transformação de uma partícula no núcleo. Quando os átomos emitem radiação alfa ou beta transformam-se em átomos de outro elemento. Já a emissão de raios gama não resulta em transformação.

Ernest Rutherford idealizou um experimento para separar e determinar a natureza das radiações emitidas. Colocando uma chapa fotográfica ou material fluorescente perpendicularmente ao feixe de radiações, encontramos três marcas devidas a três tipos de radiações:

•Radiações α, que se desviam no sentido da placa negativa.

•Radiações β, que se desviam no sentido da placa positiva; esse desvio é mais acentuado que o das partículas a.

•Radiações γ, que não sofrem desvio, pois são ondas eletromagnéticas.

Os elementos radioativos podem decair através da emissão de partículas alfa, beta e da radiação gama, conforme mostra a figura abaixo.

Esquema do decaimento de um elemento radioativo

duas unidades e o número de massa de 4

A partícula alfa é constituída de dois prótons e de dois nêutrons equivalendo a um núcleo de um átomo de hélio. Estas quatro partículas estão fortemente ligadas entre si de modo que a partícula α se comporta como se fosse uma partícula fundamental. A sua massa é igual a 4 vezes a massa do próton (ou ~ 7000 vezes a massa do elétron) e a sua carga é positiva e igual a duas unidades de carga elétrica. O número atômico do núcleo instável que emite uma partícula alfa diminui de

Uma propriedade importante das partículas α é que o seu espectro de energia é discreto, isto é, todas as partículas emitidas em uma dada transição têm a mesma energia. Por outro lado, como estas partículas são pesadas elas são dificilmente desviadas do seu caminho, apresentando uma trajetória retilínea.

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