Nesta unidade temática, você vai aprender

• Conceitos de Física Moderna;

• A compreender a existência do Fóton;

• O princípio do Efeito Fotoelétrico;

• Leis da Radioatividade. 

FÍSICA MODERNA E RADIOATIVIDADE

O EFEITO FOTOELÉTRICO

A física quântica (também conhecida como mecânica quântica e teoria quântica) é principalmente o estudo do mundo microscópico. Muitas grandezas físicas são encontradas apenas em múltiplos inteiros de uma quantidade elementar; nesse caso, dizemos que a grandeza é quantizada. A quantidade elementar associada à grandeza é chamada de quantum dessa grandeza (o plural é quanta).

Em 1905, Einstein propôs que a radiação eletromagnética (ou simplesmente a luz) era quantizada: a quantidade elementar de luz é hoje chamada de fóton.

Até hoje, o conceito de quantum de luz, ou fóton, é muito mais sutil e misterioso do que Einstein imaginava na época. Pode-se afirmar que mesmo hoje não é compreendido perfeitamente. Apesar disso, pode-se constatar experimentalmente sua existência e pode-se medir diversos efeitos provocados pelos mesmos. Segundo Einstein, um quantum de luz de frequência f tem uma energia dada por:

E=hf  

Equação 1

Sendo:

Onde: E = energia do fóton;  c = velocidade da luz no vácuo (» 3 . 108 m/s)

            l = comprimento de onda da luz

            h = constante de Planck = 6,63 . 10-34 J.s = 4,14 . 10-15 eV.s 

O evento da absorção da luz implica a aniquilação de um fóton de energia hf transferida para um átomo. O evento da emissão da luz implica a criação de um fóton de energia hf transferida do átomo para a luz.

Assim, Kmáx, a energia cinética desses elétrons é dada por: 

Kmáx = e.Vcorte 

 Equação 3

A experiência mostra que, para uma luz de uma dada frequência, o valor de Kmáx dos elétrons emitidos não depende da intensidade da luz incidente no alvo.

A energia que pode ser transferida da luz incidente para um elétron do alvo é a energia de um único fóton. Aumentando a intensidade da luz, aumentamos o número de fótons que incidem no metal, mas a energia de cada fóton permanece a mesma, já que a frequência não mudou. Assim, a energia máxima transferida para o elétron também permanece a mesma.

O efeito fotoelétrico não acontece para uma frequência inferior a uma denominada frequência de corte (fo) ou comprimento de onda de corte (lo). Verifica-se também que o resultado não depende da intensidade da luz incidente.

Para escapar do metal, um elétron necessita de uma certa energia mínima F, que depende do material de que é feito o alvo e recebe o nome de função trabalho. Quando a energia h.f cedida por um fóton a um elétron é maior que a função trabalho do material, o elétron pode escapar do alvo; quando a energia cedida é menor que a função trabalho, o elétron não pode escapar. Utilizando os conceitos da conservação da energia à emissão fotoelétrica, Einstein resumiu os resultados dos experimentos do efeito fotoelétrico na equação: 

h.f = Kmáx + f

Equação 4

O físico americano R. A. Millikan não acreditou na explicação de Einstein, e passou os dez anos seguintes fazendo uma série de experiências com o objetivo de demonstrar que a predição de Einstein era incorreta. O resultado foi que, nas palavras de Millikan,

Podemos resumir as características do efeito fotoelétrico em quatro itens:

O número de elétrons arrancados de uma placa metálica devido a incidência de radiação eletromagnética sobre ela é diretamente proporcional à intensidade da radiação.

I = N . h . f

Equação 5

O potencial de corte é o mesmo qualquer que seja a intensidade da radiação eletromagnética incidente.

e . Vo = h . f – f

Equação 8

OS RAIOS X E SUA PRODUÇÃO

 O que são raios X?

Por definição, raios X é uma forma de radiação eletromagnética parecida com a luz visível, produzida no núcleo, mas de menor comprimento de onda. O seu comportamento tem dois aspectos, ondas e partículas. Uma parte da natureza dupla dos raios X é sua habilidade de agir como se consistisse de pequenos pacotes separados de energia chamados quanta ou fóton. Em certas circunstâncias, a ação de um feixe de raios X é mais fácil de se compreender se for considerado como uma chuva de partículas em vez de uma sucessão de ondas.

As duas "naturezas" dos raios X são inseparáveis. Por exemplo, para se saber a energia de um único quanta (um dos pequenos pacotes separados de energia), deve-se saber o comprimento de onda da radiação. O comprimento de onda, entretanto, é uma característica de onda e deve ser determinada através da consideração da natureza ondulatória da radiação. 

O Espectro Eletromagnético

Raios X, raios, gama, ondas de rádio, luz etc. são ondas de energia de influência elétrica e magnética. Elas são chamadas de ondas eletromagnéticas e viajam a enorme velocidade - aproximadamente 300.000 km por segundo. Todas essas formas de radiação eletromagnética são agrupadas de acordo com o seu comprimento de onda no que se chama de espectro eletromagnético. O comprimento de onda da luz no centro de um espectro visível é de aproximadamente 550 nm, enquanto que os raios X usados para radiografia têm um comprimento de onda de aproximadamente 0,055 nm ou mais ou menos 1/10.000 da luz visível.

Propriedades Fundamentais dos Raios X

Os raios X obedecem as leis para a luz. Eles também têm certas propriedades de especial interesse nas aplicações em radiografia médica e industrial, em radioterapia e em pesquisa.

RADIOATIVIDADE

Radiação é a propagação de energia através do espaço ou da matéria. A luz solar, as ondas de rádio, os raios X e a radioatividade são alguns exemplos de radiações. A radiação é, normalmente, dividida em dois grupos,  radiação corpuscular ou  radiação eletromagnética.

Partículas subatômicas, tais como elétrons, prótons, nêutrons dêuterons e alfas, quando possuem alta velocidade, formam feixes de radiação corpuscular. Como todas as partículas têm massa m e velocidade v, a energia dessa radiação corpuscular é calculada pela equação:

E = 0,5.m.v2 

Equação 9

Já as radiações eletromagnéticas não possuem massa. São ondas que têm oscilações elétricas e magnéticas e que viajam em uma mesma velocidade, diferindo entre elas pelos respectivos comprimentos de onda (λ).

A energia das radiações eletromagnéticas pode ser determinada através da série de equações das Equações 1 e 2:

Radioatividade (radioatividade) é o fenômeno pelo qual um núcleo instável emite espontaneamente determinadas entidades (partículas de cargas positiva, partículas de carga negativa e ondas), transformando-se em outro núcleo mais estável. As entidades emitidas pelos núcleos recebem, genericamente, o nome de radiações. Fatores químicos, estados físicos, pressão e temperatura não influem na radioatividade de um elemento. Isso porque a radioatividade não depende da nuvem eletrônica do átomo, mas apenas do fato de seu núcleo ser instável.

Radiação alfa (α)

A radiação α é composta por partículas positivas iguais ao núcleo do elemento Hélio. O núcleo do elemento Hélio apresenta dois prótons e dois nêutrons. As partículas α são pesadas e lentas, sendo facilmente freadas. Embora sejam expulsas do núcleo radioativo com velocidade de quase 20.000.000 m/s, ionizam fortemente o ar e, com isso perdem energia rapidamente.

Radiação beta (β)

Este tipo de radiação é constituída por elétrons. Cada partícula β é um elétron. As partículas β são rápidas e leves, bem mais penetrantes que as partículas α. As partículas β emitidas pelo Actínio 288 são emitidas com 99,95% da velocidade da luz, ou seja, com 3 x 108 m/s. Sendo elétrons, são menores e menos ionizantes que as partículas α, sendo, por isso mesmo, mais penetrante que estas. 

A partícula , (que é um elétron) deve se formar pela desintegração de um nêutron, segundo o esquema:  nêutron → próton + elétron + neutrino.

O elétron assim formado é expulso imediatamente pelo núcleo e recebe a denominação de partícula β.

Radiação gama (γ)

Os raios γ são ondas eletromagnéticas cujo comprimento de onda é muito pequeno. É uma radiação eletromagnética sem peso, como a luz e as ondas de rádio, mas muito mais penetrante. Sob certos aspectos, a radiação γ se assemelha ao raio X, embora sejam muito mais energéticos.

Esse tipo de radiação acompanha normalmente as radiações α e β. As radiações γ apresentam carga nula e massa nula.  As radiações nucleares α e β são desviadas em presença de campos magnéticos, ao passo que a radiação nuclear γ não sofre desvio em campos magnéticos, ao passo que a radiação nuclear γ não sofre desvio em campos magnéticos. Outra radiação originada no núcleo dos átomos é a emissão de nêutrons.

As transformações radioativas

Quando um átomo emite partículas α ou β, seu núcleo se modifica, e, portanto, o elemento emissor transforma-se em um novo elemento. Dizemos que houve transformação, desintegração ou decaimento.

1ª LEI DA RADIOATIVIDADE OU LEI DE SODY:

Somente os elementos com número atômico superior a 82 emitem partículas α espontaneamente. 

2ª LEI DA RADIOATIVIDADE OU LEI FAGENS-RUSSEL-SODY: 

Ao se desintegrar um nêutron no interior do núcleo, formam-se um próton, um elétron (a partícula β) e um neutrino. A partícula β e o neutrino são expulsos imediatamente, mas o próton lá permanece. Dessa forma, uma carga nula é substituída por uma carga positiva, sendo que a massa nuclear fica inalterada.

Através das desintegrações e decaimentos os átomos originais, vão se transformando nos átomos estáveis que conhecemos através da tabela periódica. No entanto, a natureza apresenta, além dos 92 átomos estáveis, uma série de isótopos, isótonos e isóbaros que estão em contínuas transformações.

Cinética radioativa

A cinética radioativa mostra que alguns elementos radioativos se desintegram rapidamente, enquanto outros se desintegram mais lentamente. Estes últimos são basicamente mais duráveis. Não é possível prever com exatidão a duração de um núcleo radioativo. Ele poderá permanecer sem se desintegrar durante segundos, dias ou séculos. Contudo, existem cálculos estatísticos capazes de nos fornecer uma estimativa do tempo de vida de um átomo radioativo.

Velocidade de desintegração

A medida que um corpo emissor se desintegra, a quantidade do elemento radioativo diminui. Portanto, podemos definir velocidade de desintegração relacionando a variação do número de átomos com o tempo gasto nessa variação.

Constante radioativa ou constante de desintegração (l)

Esta constante mostra qual é a fração de átomos que se desintegra em uma fração de tempo. A equação é:

Sabendo-se que a vida média do Th-232 é de 2,01.1010 anos, o resultado apresentado pela constante radioativa indica que, para uma amostra com 2,01.1010 átomos de tório, apenas um átomo se desintegrará em um ano. 

Intensidade radioativa (I)

Corresponde ao número de partículas α ou β emitidas na unidade de tempo. A intensidade radioativa depende do número de átomos (N) existentes na amostra do elemento radioativo.

Meia-vida ou período de semidesintegração é o tempo necessário para que se desintegre a metade da massa inicial de uma substância radioativa. A meia-vida não depende da massa inicial. Qualquer que seja, diminuirá pela metade após transcorrer o tempo igual à meia-vida. Uma expressão muito útil para relacionar a massa inicial com aquela que ainda não se desintegrou é:

Onde: m0 é a massa inicial;    m é a massa final;

x é o número de meias-vidas transcorridos, sendo que: 

Os isótopos radioativos (radioisótopos) podem ser produzidos artificialmente em um reator nuclear ou em um cíclotron. Como os radioisótopos podem ser facilmente detectados, mesmo em quantidades pequenas, a sua aplicação é muito grande na indústria, agricultura, geologia, biologia, paleontologia e na medicina, tanto como traçadores como destruidores de células necrosadas.