DECAIMENTO RADIOATIVO
Tendo entendido o que é o núcleo e porque alguns deles são instáveis, vamos explicar um pouco mais como os núcleos atingem a estabilidade. Isso ocorre quando o núcleo emite partículas de radiação para diminuir sua energia. Nesse processo, o núcleo original pode ser transmutado, tornando-se outro núcleo. Isso foi objeto de estudo dos alquimistas por muito tempo que tentavam transmutar carvão em ouro. Claro, isso não é uma tarefa trivial, e no processo, os núcleos tendem a DECAIR.
DESINTEGRAR x DECAIR
Desintegrar é uma palavra impactante. Ela certamente está associada com coisas horríveis, como o estalar da manopla do infinito do Thanos não é? Os apreciadores de astronomia podem discordar e a foto a seguir é um bom exemplo disso:
NEBULOSA DO CARANGUEJO
As NEBULOSAS são uma espécie de nuvem interestelar de poeira e gases ionizados, como hidrogênio e hélio por exemplo. Elas nos encantam por sua beleza e formas variadas, como é possível ver através da imagem da nebulosa do caranguejo, tirada pelo telescópio espacial Hubble.
E agora nossa grande surpresa (ou não, se você for um entusiasta da astronomia): as nebulosas são resquícios da desintegração de estrelas. Essas desintegrações, as chamadas SUPERNOVAS, ocorrem ao final da vida de uma estrela, quando as forças internas que a mantém coesa, "enfraquecem", liberando uma quantidade enorme de energia principalmente na forma de luz. Isso é desintegrar.
Decair, por outro lado, não está associado à explosões, mas apenas à emissão de energia. É exatamente isso que acontece no decaimento nuclear. Como vimos na seção anterior, em função da competição entre as forças elétrica e nuclear forte, núcleos pesados podem ser instáveis, e para diminuir essa energia interna, eles decaem. Trata-se de um processo espontâneo, onde há emissão de partículas nucleares com muita energia.
Ok, não tão energéticas quanto à emitida por uma supernova, mas suficientemente energéticas para ionizarem átomos. Exatamente: o decaimento nuclear também é chamado de DECAIMENTO RADIOATIVO por emitir RADIAÇÃO IONIZANTE. A seguir vamos apresentar alguns dos decaimentos radioativos mais famosos.
DECAIMENTO ALFA
Alguns núcleos INSTÁVEIS podem decair emitindo núcleos de hélio. Hoje sabemos que são núcleos de hélio, mas na época em que isso foi observado, não se fazia ideia. Por isso deram o nome de radiação alfa. Vamos ver um exemplo desse tipo de emissão.
MINÉRIO DE URÂNIO
O urânio é um dos elementos mais abundantes na crosta terrestre, sendo encontrado na forma de minério. Este minério contém ISÓTOPOS do urânio, isto é, átomos com o mesmo número de prótons. O URÂNIO 238 é o mais abundante e possui 92 prótons e 146 nêutrons. Já o URÂNIO 235, é menos abundante, ele tem os mesmos 92 prótons, mas 143 nêutrons. Você deve estar achando que 92 é um número grande para prótons em um núcleo não é mesmo? Com razão! A força elétrica de repulsão entre esses 92 prótons é muito grande e gera a INSTABILIDADE NUCLEAR da qual falamos na seção anterior. É como se o átomo de urânio estivesse incomodado, como se o "excesso" de prótons estivesse causando uma espécie de "coceira" nasal. O que fazer nessa situação? Espirrar as cargas positivas.
Por se tratar de um núcleo pesado, o urânio se livra do excesso de cargas positivas emitindo uma PARTÍCULA ALFA, que é na verdade um núcleo estável do hélio e é composta por dois prótons e dois nêutrons, como já sabemos. Abaixo mostramos um esquema para a emissão alfa por um núcleo de Urânio 238:
DECAIMENTO ALFA
Um núcleo pai pesado emite uma partícula alfa (Z = 4) para diminuir sua energia.
Esse processo pelo qual um núcleo emite uma partícula alfa ocorre em núcleos pesados e é chamado de DECAIMENTO ALFA. O termo "decaimento" significa "diminuição" da energia do núcleo, uma vez que o excesso de energia é usado para desprender uma partícula alfa e ejetá-la.
Para ficar mais fácil de visualizar essa diminuição de energia, é possível representar os decaimentos através de um DIAGRAMA DE DECAIMENTO.
A seguir, mostramos o diagrama para o Polônio 210:
Embora esse diagrama pareça complicado, ele é bastante intuitivo. O polônio 210 é um núcleo pesado e instável, é ele quem irá decair. Por esse motivo, ele é representado na barra horizontal no topo do diagrama, que indica o elemento de maior energia.
O decaimento é representado por setas que apontam para baixo (representando uma diminuição de energia). Quando o núcleo emite uma partícula de carga positiva (no caso, nossa partícula alfa), a seta aponta para baixo e para esquerda - como mostrado na figura.
Quando os núcleos emitem partículas de cargas negativas, seguindo o mesmo raciocínio, as setas apontam para baixo e para direita. No caso de partículas sem carga, como os raios gama, as setas apontam apenas para baixo, como também é possível ver na figura.
Muito bem! Mas calma que ainda temos mais informação nesse diagrama. Os números ao lado das setas indicam a energia das partículas emitidas no decaimento e sua probabilidade. Sim, probabilidades são importantes. Isso porque um núcleo radioativo tem mais de uma VIA DE DECAIMENTO. O próprio Polônio 210 nos mostra isso: em 99.999% das vezes há a emissão de partículas alfa de energia 5.305 MeV. Nas outras 0,001% das vezes, há a emissão de partícula alfa de energia de 4.502 MeV seguindo a emissão de um raio gama de 0.803 MeV. Em ambos os casos, o produto final do decaimento é um núcleo de chumbo, estável.
DECAIMENTO BETA
Pelo título fica fácil de entender que neste tipo de decaimento o núcleo emite uma partícula beta (elétron ou pósitron) certo? Só temos um pequeno problema... Não há elétrons ou pósitrons dentro do núcleo de um átomo. O que acontece nesses decaimentos é a TRANSMUTAÇÃO dos nucleons: isto é, um nêutron pode se transformar em um próton e vice-versa.
Isso nos leva a outro problema: o princípio da conservação de cargas elétricas. A natureza, porém, é muito sábia: se um nêutron, de carga elétrica igual a 0, se transmuta em um próton, cuja carga elétrica é +1, então um elétron, cuja carga elétrica é -1, deve "surgir" no sistema. Isso garante que a carga inicial (0) seja igual à carga final (+1-1 = 0).
Sim, isso parece um pouco confuso mesmo. Mas não se preocupe. Vai ficar mais claro com um esquema representando o decaimento beta:
DECAIMENTO BETA MENOS
Ocorre em núcleos com "excesso" de nêutrons, onde um nêutron se transmuta em um próton, e no processo, emite um elétron (partícula beta menos) e um anti-neutrino eletrônico. Neste decaimento, o número atômico do núcleo pai aumenta.
NOTA: Você deve estar se perguntando o que é esse "ANTI-NEUTRINO ELETRÔNICO". Nos não vamos nos aprofundar nesse assunto por fugir do escopo da física nuclear. Aos curiosos, porém, podemos dizer que o anti neutrino aparece na reação para conservar o número de léptons. Lembra da tabela do modelo padrão? Um elétron é um lépton e tem um número leptônico igual a +1. Para que esse número seja igual antes e depois do decaimento, um anti-neutrino eletrônico (de número leptônico -1) deve aparecer. Caso queira se aprofundar mais, recomendamos essa vídeo-aula do PROFESSOR SÉRGIO ROBERTO DE PAULO. Ele tem um canal no youtube e aborda diversos temas de ciência e física nuclear para ensino superior. Vale à pena conferir!
Conseguimos entender? Talvez? Que tal avaliar outro decaimento beta só para ter certeza? Sim! Existe outro decaimento beta, conhecido como DECAIMENTO BETA MAIS. Ele ocorre em núcleos leves com excesso de prótons. Esse núcleos não tem energia suficiente para emitir uma
DECAIMENTO BETA MAIS
Ocorre em núcleos com "excesso" de prótons, onde um próton se transmuta em um nêutron, e no processo, emite um pósitron (partícula beta mais) e um neutrino eletrônico. Neste decaimento, o número atômico do núcleo pai diminui.
Nós sabemos que você vai querer comparar os dois tipos, então vamos facilitar. Confira as imagens uma acima da outra a seguir:
Você deve estar se perguntando qual a redução que ocorreu no núcleo neste caso não é? Bom, para o decaimento beta, o núcleo permanece com o mesmo número de partículas, só troca um nêutron por um próton ou vice-versa. Essa troca porém, atua por reduzir a energia nuclear. Vamos pensar juntos: no decaimento beta menos por exemplo, um nêutron teve que dar origem à três outras partículas, um próton, um elétron e um anti-neutrino. De onde vem a energia para "gerar" as novas partículas? Do próprio núcleo!
DECAIMENTO GAMA
Núcleos instáveis também podem diminuir seu excesso de energia na forma de raios gama, isto é, ondas eletromagnéticas. Um esquema de decaimento gama é mostrado a seguir:
DECAIMENTO GAMA
Um núcleo pai excitado emite raios gama, sem alterar seu número atômico.
NOTA: Os raios gama tem energias na faixa de alguns keV (1000 eV) até 8 MeV (8000000 eV). Isso parece muito? Lembra dos fótons de radiação ultravioleta? Eles são considerados o limite entre a radiação não-ionizante e a radiação ionizante para o tecido biológico. A energia destes fótons é de 12.4 eV, muito menor do que a faixa de energia dos raios gama.
Agora podemos entender um pouco melhor o motivo pelo qual muitos decaimentos radioativos também emitem raios gama. Lembra do diagrama de decaimento do Polônio 210?
DECAIMENTO DO PO 210
Atente-se agora para a emissão do raio gama.
Embora emitir uma partícula alfa de 4.502 MeV seja suficiente para transmutar o Polônio 210 em Chumbo 206, a energia ainda não é suficiente para deixar o chumbo no seu estado fundamental, como a energia de 5.305 MeV:
5.305 - 4.502 = 0.803 MeV
Ainda há um excesso de energia de 0,803 MeV. Isso é mostrado através do símbolo de asterisco ("*") logo após o número de massa do chumbo. Esse símbolo indica que um determinado elemento NÃO ESTÁ NO SEU ESTADO FUNDAMENTAL e precisa emitir o excesso de energia, neste caso, na forma de RAIO GAMA.
Vamos ver agora um outro diagrama de decaimento, agora, do Cobalto 60. Este elemento é utilizado em radioterapia, onde a emissão de um fóton é desejada para danificar um tumor interno ao paciente. Vamos ao diagrama de decaimento:
Começamos com o Cobalto 60 no topo do diagrama de energia, mostrando que é ele que irá decair. Ele decai emitindo partículas beta menos (elétrons), através de duas vias: uma ocorrendo 99.88 % das vezes e a outra cuja probabilidade de ocorrência é de 0.12 %. Em ambos os casos, a emissão da partícula beta menos transmuta o Cobalto 60 em Níquel 60, porém, fora do estado fundamental. E você sabe o que isso significa... Que é necessário emitir raios gama para liberar esse excesso de energia.
Considerando a emissão de uma partícula beta menos de 0,31 MeV, temos dois decaimentos gama seguidos, o primeiro de energia 1.1732 MeV e o segundo de energia 1.3325 MeV.
Já caso da emissão da partícula beta menos de 1,48 MeV, parte da energia que seria transferida para o núcleo do Níquel já foi emitida na forma de energia cinética da partícula beta menos. Podemos conferir fazendo a subtração:
1,48 - 0,31 = 1.17 MeV
A diferença de energia é exatamente o primeiro fóton. Por isso, neste caso, ocorre apenas a emissão de raios gama de energia 1.3325 MeV.
Agora uma curiosidade, você sabia que esses fótons podem ser usados para fazer algumas cirurgias? Neste caso, chamamos de RADIOCIRURGIA e usamos equipamentos específicos. Um exemplo desses tipos de aparelho é a GAMMA-KNIFE, esquematizada a seguir:
A Gamma Knife é uma máquina de radiocirurgia projetada especificamente para doenças no cérebro. Nela vários feixes estreitos de raios gama são direcionados para um alvo clínico específico, como tumores cerebrais, por exemplo.
O nome do equipamento (faca gama, em tradução livre) é dado justamente por isso: os raios gama substituem o bisturi, não sendo necessário nenhum procedimento cirúrgico.
FISSÃO NUCLEAR
Fissão... nuclear? Sim! FISSÃO NUCLEAR é o nome do fenômeno onde um núcleo pesado se divide em duas partes de menor massa. Esse processo libera uma quantidade muito grande de energia, que pode ser convertida em energia elétrica nas usinas nucleares.
Existem dois tipos de fissão nuclear, a ESPONTÂNEA (que ocorre raramente) e a INDUZIDA. Em termos de geração de energia elétrica, é a fissão induzida que entra em cena. Mas como ela funciona?
Considere um núcleo de Urânio-235. Agora imagine golpeá-lo com um nêutron. Nessa situação o núcleo de Urânio-235 pode interagir com ele através do fenômeno da CAPTURA NEUTRÔNICA. É um nome bonito para dizer que o núcleo de U-235 "absorve" o nêutron, e se torna U-236. Esse núcleo é extremamente instável e acaba por se fissionar, emitindo no processo dois núcleos mais leves, três nêutrons rápidos e muita energia, como mostrado no esquema à seguir:
FISSÃO NUCLEAR DO URÂNIO-235
Quando um núcleo de U-235 captura um nêutron rápido, ele se torna instável e fissiona, liberando núcleos de Criptônio (Kr-92), Bário (Ba-141), três nêutrons livres e muita energia, que será utilizada para a geração de energia elétrica.
É muito importante ressaltar que, embora os núcleos de Kr-92 e Ba-141 sejam os mais prováveis de serem liberados durante a fissão, eles não são necessariamente os únicos. Existe uma probabilidade de liberar outros núcleos mais leves, como isótopos do Rubídio e Césio (Rb-96 e Cs-137), Estrôncio e Xenônio (Sr-90 e Xe-144) ou Bromo e Lantânio (Br-87 e La-146). O importante é a altíssima quantidade de energia e os nêutrons.
A importância da energia liberada é fácil de entender certo? É ela que vai ser usada para transformar água em vapor para mover a turbina que gera energia elétrica. Mas e quanto aos nêutrons? Primeiramente é preciso entender que não podemos jogar qualquer nêutron no núcleo de U-235 e esperar que fissione. O nêutron precisa ter uma energia específica para que a reação de captura seja mais favorável. Este nêutron tem energia em torno de 0.025 eV e é chamado de NÊUTRON TÉRMICO. É esse nêutron que induz a fissão, ao ser capturado pelo núcleo de U-235. Acontece que o COMBUSTÍVEL NUCLEAR * não tem apenas um átomo de urânio, mas vários. Agora pense: um nêutron induz a fissão de um núcleo de urânio que libera energia e mais 3 nêutrons. Cada um desses nêutrons vai induzir fissão em mais três núcleos de urânio, liberando mais energia e mais 3 nêutrons por núcleo (ou seja, 9 nêutrons). Isso é o que chamamos de REAÇÃO EM CADEIA, um processo que, se controlado, nos permite gerar energia elétrica. Mas como nós controlamos essas reações?
* COMBUSTÍVEL NUCLEAR: é importante notar que o termo "combustível" embora muito recorrente, não é o mais adequado. Isso porque não há combustão de material nuclear, mas fissão. No entanto, é o termo comum adotado para materiais radioativos. O principal "combustível" nuclear é o URÂNIO ENRIQUECIDO, isto é, átomos de urânio com uma razão isotópica U-235 / U-238 maior do que a razão encontrada na natureza.
REATORES NUCLEARES
Sim! As fissões nucleares são controladas em dispositivos chamados REATORES NUCLEARES. É neles que a reação se inicia e é mantida. Um exemplo de reator em funcionamento pode ser visto a seguir:
REATOR NUCLEAR EM FUNCIONAMENTO
Mas como são os reatores nucleares? Eles são cascas de aço pressurizadas com alguns elementos no seu interior. O NÚCLEO DO REATOR é o responsável por iniciar a reação. Ele consiste em diversas varetas de urânio enriquecido que são movidas por pistões pneumáticos, para cima ou para baixo. Esse sistema é capaz de mergulhar as varas de urânio um reservatório de água, chamado de PISCINA DO REATOR. Lá, a energia liberada pela fissão é absorvida, na forma de calor, por um outro circuito de água, que entrará em ebulição e moverá a turbina. Neste caso ocorre apenas troca de calor, evitando que a água do circuito seja contaminada pelos fragmentos de fissão.
A água da piscina tem um papel muito importante: ela atua como MODERADOR. Lembra que para uma reação de fissão ocorrer ela precisa de nêutrons térmicos? Os nêutrons emitidos pela fissão tem uma energia cinética muito maior que 0,025 eV, de modo que precisam ter sua velocidade reduzida para sustentar a reação em cadeia. O moderador faz justamente isso. Ele reduz a velocidade dos nêutrons, além de diminuir a temperatura do reator.
Com isso, conseguimos entender como como a fissão se inicia e se sustenta: a vara de urânio é mergulhada na água da piscina que atua por "termalizar" os nêutrons, permitindo que a fissão ocorra em cadeia. A energia liberada pela fissão é absorvida, na forma de calor por um outro circuito de água, que entra em ebulição e move uma turbina gerando energia elétrica.
Pensando nessa energia, não faz sentido que nós deixemos nosso urânio fissionar todo de uma vez certo? Por isso o reator tem mais um componente: as HASTES DE CONTROLE. O sistema de controle consiste em materiais que conseguem absorver os nêutrons, impedindo que a reação em cadeia ocorra toda de uma vez. Podem ser usados materiais como cadmio, boro, ou até mesmo a própria água. Sim, a água modera os nêutrons e absorve uma parte deles. Por isso é fundamental usar água em reatores. A seguir nós mostramos um esquema de reator destacando os principais componentes:
ESQUEMA DOS ELEMENTOS DE UM REATOR NUCLEAR
A fissão é iniciada através das varetas de urânio, que são mergulhadas na piscina do reator. A água da piscina diminui a velocidade dos nêutrons, possibilitando a fissão em cadeia. A água também absorve alguns nêutrons, atuando também como elemento de controle. Hastes de materiais como cadmio e boro também podem ser usadas para absorver os nêutrons e controlar a fissão.
Se todos esses processos de fissão, moderação e controle forem feitos de maneira correta, o reator funcionará em um altíssimo nível de segurança. Isso vai permitir que nossa usina gere energia de forma eficiente, por muito tempo e com uma probabilidade muito pequena de ocorrer acidentes.
E por falar em acidentes... que tal usarmos nosso conhecimento de reatores para entender o motivo da "falha" no sistema de segurança de Chernobyl? Você vai se surpreender...
AS CAUSAS DO ACIDENTE NUCLEAR DE CHERNOBYL
No contexto da Guerra Fria, o governo soviético buscava ampliar seu programa nuclear. Cientistas do governo desenvolveram um reator que parecia muito conveniente para os interesses das autoridades: o REATOR RBMK. Ele era interessante por vários aspectos, mas principalmente por ser barato e por gerar plutônio como subproduto, que poderia ser usado como matéria prima para a construção de armas nucleares. Sim, esses eram os reatores da Usina Nuclear de Chernobyl, localizada em Pripyat, na Ucrânia.
O reator RBMK porém, tinha um sério problema de projeto que reduzia a segurança da sua operação. Não, você não precisa ser nenhum especialista em reatores ou um engenheiro nuclear para entender qual é este problema. Ele envolve o sistema de controle e moderação dos nêutrons: o primeiro era feito com água, e o segundo com grafite.
Ao mesmo tempo que esse reator funcionaria corretamente se todos os cuidados fossem tomados, ele aumenta o risco, justamente por conta do grafite. Sabemos que a água pode ser usada como elemento de refrigeração do núcleo do reator, elemento de moderação (termalizando os nêutrons) e elemento de controle (absorvendo parte dos nêutrons). Assim, se por algum motivo acabar a água do reator, a reação não iria ocorrer, porque os nêutrons não teriam energia para induzirem a fissão em cadeia. Isso é um cenário seguro.
No reator RBMK, por outro lado... a moderação é feita através de hastes de grafite. Em uma eventual falta de água, neste caso, a reação não pararia, porque é o grafite que termaliza os nêutrons. Imagine agora um reator que utiliza a água para absorver os nêutrons e resfriar o núcleo... COM POUCA ÁGUA! Cenário perigoso? Precisamente o que ocorreu em Chernobyl. Os russos estavam fazendo um teste de segurança, para avaliar o que aconteceria quando os níveis de água do reator abaixassem. Só não se lembraram de remover os moderadores de grafite. O resultado foi o superaquecimento do reator e sua explosão.
FOTO DO REATOR 4 DE CHERNOBYL, APÓS O ACIDENTE
Para mais detalhes sobre o acidente de Chernobyl, sugerimos o vídeo CHERNOBYL: A HISTÓRIA COMPLETA do canal CIÊNCIA TODO DIA. Nesse vídeo, Pedro Loss traz detalhes da história do acidente de Chernobyl, priorizando as razões técnicas e mostrando também, as razões políticas.
SE PROTEGENDO DE CHERNOBYL
Lembra dos critérios para se otimizar uma exposição?
DISTÂNCIA: O principal jeito de se prevenir da radiação de Chernobyl é ficando o mais longe possível de lá. Sim, isso parece bastante razoável. No entanto, grupos de pessoas visitam a cidade de Pripyat no chamado "Chernobyl Tour". Parece loucura? Um pouco, mas ainda assim, os visitantes não entram na usina, ficam apenas nas imediações, vendo-a de longe.
TEMPO: Esse é o principal critério usado pelos visitantes em Pripyat. Além de ficarem o mais longe "possível" do reator, os visitantes tem um determinado tempo para realizar o tour.
BLINDAGEM: Vimos que blindar a fonte de radiação é a última alternativa para minimizar uma exposição, em termos de custo-efetividade certo? Mas é possível blindar... o prédio de um reator nuclear??? Sim. Logo após o acidente, o governo ucraniano construiu às pressas um "sarcófago" de metal e concreto ao redor do reator. Em função da situação emergencial, o sarcófago tinha algumas falhas estruturais e precisaria ser reforçado. O reforço veio em 2016, com um grande domo de metal cobrindo o prédio do reator. O vídeo mostra uma filmagem feita por drones durante a construção do domo.
UFA... TERMINAMOS!
Essa seção! A seguir você encontra mais um RadQuiz e a próxima seção, onde vamos falar sobre a LEI DE DECAIMENTO RADIOATIVO, que rege todos os decaimentos que apresentamos aqui.
Caso queira se aprofundar mais, recomendamos essa outra vídeo-aula do PROFESSOR SÉRGIO, onde ele explica em maiores detalhes o funcionamento de um reator nuclear.
PROFESSOR (A): Essa seção pode ser usada para desenvolver a habilidade EM13CNT304 cujo objetivo é explicar energia nuclear e o decaimento radioativo. Além desses temas, também é possível abordar a fissão nuclear, referente à habilidade EM13CNT104 bem como processo de enriquecimento de urânio que é feito no Brasil. Isso é importante para mostrar aos estudantes o valor da pesquisa nacional. Sugerimos além disso, a série CHERNOBYL da HBO, um documentário sobre o acidente nuclear ocorrido na Ucrânia em 1986. Ela pode ser usada para complementar EM13CNT304, ou mesmo como base para a habilidade EM13CNT306.
REFERÊNCIAS
SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Currículo Paulista Etapa Ensino Médio. São Paulo, 2020, 301 p.
SÃO PAULO. Secretaria da Educação. Habilidades Essenciais de Ciências da Natureza e suas Tecnologias 2020-2021. São Paulo, 2020, 10 p.