Reações que provocam modificações na estrutura nuclear são reações nucleares.
Átomos que se encontram instáveis a nível nuclear e na busca de estabilidade acabam por emitir partículas e/ou ondas eletromagnéticas são radioativos; as reações que ocorrem no núcleo de elementos radioativos são reações de decaimento. Quando ocorrem naturalmente, as radiações emitidas são: alfa, beta e gama.
As reações nucleares ocorrem em átomos instáveis
No decaimento alfa, ocorre a emissão de uma partícula que tem estrutura formada por dois prótons e dois nêutrons.
Um emissor alfa é o urânio, que possui massa atômica 238 e número atômico 92.
O urânio decai para tório mais energia
Para essa reação de decaimento temos uma equação que será expressa logo a seguir.
Decaimento Alfa
Na equação de decaimento alfa, um átomo pai (P) transmuta em um átomo filho (F) mais radiação alfa (He). A partícula alfa é um núcleo de hélio, pois sua estrutura é composta por 2 prótons.
No decaimento beta ocorre a emissão de uma partícula que pode ser um elétron ou um pósitron.
Um emissor beta (elétron) é o fósforo que possui massa atômica 32 e número atômico 15.
Decaimento Beta (elétron)
Para essa reação de decaimento temos uma equação que será expressa logo a seguir.
Na equação de decaimento beta (elétron), um átomo pai (P) transmuta para um átomo filho (F) mais radiação beta (e = elétron) e um antineutrino ( ).
A condição para que um elétron seja ejetado do núcleo, sendo o decaimento beta uma reação nuclear, é que ocorra decaimento de um nêutron em próton + elétron + antineutrino.
Um emissor beta (pósitron) é o flúor que possui massa atômica 18 e número atômico 8.
Decaimento Beta (pósitron)
Para essa reação de decaimento, temos uma equação que será expressa logo a seguir.
Na equação de decaimento beta (pósitron), um átomo pai (P) transmuta para um átomo filho (F) mais radiação beta (e = pósitron e um neutrino (ν).
A condição para que um pósitron seja ejetado do núcleo, sendo o decaimento beta uma reação nuclear, é que ocorra decaimento de um próton em nêutron + pósitron + neutrino.
No decaimento gama ocorre a emissão de ondas eletromagnéticas.
Um emissor gama é o gálio, que possui massa atômica 67 e número atômico 31.
Para essa reação de decaimento temos uma equação que será expressa logo a seguir.
Na equação de decaimento gama, um átomo pai transmuta em um átomo filho mais radiação gama. A radiação gama é uma onda eletromagnética.
Por Frederico Borges de Almeida
Graduado em Física
Equipe Brasil Escola
As radiações podem ser ionizantes ou não ionizantes.
A radiação ionizante tem alta frequência , e tem energia para retirar elétrons dos átomos, provocando a ionização. Radiação ionizante pode provocar alterações nas células e consequentemente doenças, como o câncer.
A radiação não ionizante tem baixa frequência, não tendo energia para provocar a ionização dos átomos, e não prejudicam a saúde.
O TRIFÓLIO é o símbolo de radiação. O centro representa o núcleo radioativo, e as pás representam os três tipos de radiação: radiação alfa (núcleos de hélio (α = He⁴₂) carga positiva, a radiação beta (β = elétrons) carga negativa, e a radiação gama (γ = radiação eletromagnética) não tem carga elétrica.
A radiação alfa é que que tem o menor poder de penetração na matéria. Pode ser barrada por uma folha de papel.
A radiação beta tem médio poder de penetração na matéria, conseguindo penetrar alguns milímetros no alumínio.
A radiação gama é a que tem o maior poder de penetração na matéria, é barrada por placas de chumbo.
A radiação só é detectada através dos detectores de radiação.Detecção das radiações
A percepção da radiação, seja qualitativa ou quantitativa, só pode ser realizada com a ajuda de materiais ou instrumentos capazes de captar e registrar sua presença. A detecção é realizada pelo resultado produzido da interação da radiação com um meio sensível (detector). Em um sistema detector os detectores de radiação são os elementos ou dispositivos sensíveis a radiação ionizante utilizados para determinar a quantidade de radiação presente em um determinado meio de interesse. A integração entre um detector e um sistema de leitura (medidor), como um eletrômetro ou a embalagem de um detector é chamado de monitor de radiação. Os sistemas detectores que indicam a radiação total a que uma pessoa foi exposta são chamados de dosímetros.
A diferença entre cada uma das categorias está relacionada com a faixa de energia de cada tipo de radiação que se deseja medir, bem como a resolução e eficiência que se deseja da medição. Cada tipo de detector possui uma aplicação onde sua eficiência será melhor e sua precisão maior.
Fusão Nuclear
Fusão Nuclear é a junção de átomos que têm núcleos leves. Da junção desses átomos, resulta um átomo com núcleo mais pesado.
Submetidos a uma temperatura bastante elevada (cerca de 10 milhões de graus Celsius), o deutério (H2) e o trítio (H3), que são isótopos de hidrogênio (H), se unem. Dessa união resulta a liberação de uma grande quantidade de energia e são formados núcleos de hélio.
O processo de fusão nuclear dá origem ao funcionamento das bombas de hidrogênio (as bombas atômicas mais destrutivas que existem). Da fusão decorre também a produção de energia solar.
Na fusão nuclear núcleos leves se fundem formando um núcleo mais pesado.
Reator de Fusão Nuclear
A fusão nuclear libera bastante energia. Por esse motivo há um compromisso muito grande da comunidade científica em tornar possível a energia nuclear como uma opção energética a partir do processo de fusão.
Para esse fim, é necessário um reator capaz de produzir e controlar a fusão nuclear.
Tokamak é o nome que se dá aos reatores que estão sendo desenvolvidos em vários locais do mundo.
Quais as suas Vantagens?
A energia gerada pela fusão nuclear seria uma forma que garantiria segurança e limpeza ambiental. Isso porque, a fissão nuclear produz energia principalmente através do urânio (um dos principais elementos radioativos).
Uma vez que a quantidade de combustível utilizado é menor, decorre que a radioatividade também seja inferior e, logo, também seja menor a produção de lixo nuclear.
O combustível utilizado para fusão pode ser obtido na água do mar e no trílio do próprio reator nuclear. Na fissão, é o urânio que é utilizado para esse fim, mas esse não é facilmente extraído.
A Fusão Nuclear e as Estrelas
No interior das estrelas ocorrem reações termonucleares, ou seja, nelas acontece o processo de fusão nuclear. O Sol é um exemplo.
As estrelas são formadas de hidrogênio, cujo núcleo é leve. A alta temperatura promove a fusão formando um núcleo de hélio, elemento mais pesado. Muita energia é gerada nesse processo violento que dá energia à energia solar.
A fissão nuclear ocorre quando um núcleo atômico torna-se instável, ou físsel. Núcleos atômicos pesados, como o urânio-235, são naturalmente instáveis e tendem a desintegrar-se em núcleos menores e, consequentemente, mais estáveis. Um dos processos mais usados para tornar um núcleo atômico instável é a captura de nêutrons. Nesse processo, emitem-se nêutrons lentos (a baixa velocidade dessas partículas aumenta a chance de sucesso de sua captura pelos núcleos atômicos) em direção aos núcleos dos átomos.
Na fissão nuclear do átomo de urânio-235, além dos núcleos mais leves, são emitidos nêutrons e raios gama.
₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₅₆Ba¹⁴¹ + ₃₆Kr⁹² + 3₀n¹
A soma das massas antes é igual a soma das massa depois. Veja:
235 + 1 → 141 + 92 + 3 . 1
236 → 233 + 3
236 → 236
A soma dos nº atômicos antes é igual a soma dos nº atômicos depois.Veja:
92 + 0 → 56 + 36 + 3 . 0
92 → 92 + 0
92 → 92
Na fissão nuclear um núcleo pesado e divide em núcleos mais leves.
Toda a energia proveniente desse tipo de reação surge em decorrência da pequena diferença de massa entre o núcleo original e os novos núcleos formados. Somando-se a massa desses últimos, encontramos menor massa que a massa do primeiro. A essa diferença damos o nome de defeito de massa. A quantidade de energia produzida na fissão nuclear pode ser calculada por meio da famosa relação de Einstein para a energia de repouso:
Veja também: Einstein e a bomba atômica
A fusão nuclear é um processo no qual dois ou mais núcleos leves e estáveis unem-se pela ação de grandes pressões, velocidades ou temperaturas extremas. Essas condições são atingidas, por exemplo, no interior dos núcleos das estrelas ou durante reações nucleares artificiais, como nos casos das ogivas nucleares.
Aplicações da fissão nuclear
A vasta quantidade de energia liberada durante o processo de fissão nuclear pode ser usada para a geração de energia nas usinas nucleares. A maior parte dessa energia aquece a água, evaporando-a. Ao liberar o vapor de água do confinamento, é possível mover grandes geradores que operam segundo o princípio de indução eletromagnética, isto é, no interior desses geradores, é possível encontrar enormes magnetos giratórios, colocados no interior de bobinas condutoras (enrolamentos de fios metálicos). Esses geradores são capazes de gerar abundante quantidade de energia elétrica.
Observação.
Quando um núcleo radioativo emite radiação naturalmente, ele sofre um decaimento ou uma transmutação, ou seja, emite radiação e se transforma em outro elemento químico, através dos decaimentos alfa, beta e gama.
A radiação artificial, ou forçada, ocorre nos reatores nucleares, que são dispositivos que iniciam e terminam uma reação em cadeia de fissão ou fusão nuclear.
Exemplos.
1) Ao sofrer um determinado decaimento radioativo, o elemento carbono 14 transforma-se em nitrogênio 14 segundo a reação mostrada abaixo:
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O decaimento sofrido pelo carbono é do tipo:
a) beta
b) alfa
c) gama
d) eletrônico
e) magnético
Resolução:
Analisando a reação mostrada no enunciado do exercício, é possível perceber que não há mudança no número de massa (A = 14) antes e após o decaimento, o que indica que a partícula emitida apresenta massa muito pequena. Percebe-se que seu número atômico (carga elétrica) aumenta de Z = 6 para Z = 7, indicando que o carbono 14 perde uma carga negativa. Podemos dizer, portanto, que foi emitido um elétron, o que caracteriza um decaimento beta:
2) O elemento urânio é um radioisótopo físsil, isto é, pode sofrer diversos decaimentos nucleares, formando, assim, novos elementos. Em um desses decaimentos, o urânio dá origem ao elemento tório segundo a reação abaixo:
O tipo de decaimento sofrido pelo urânio nessa reação e a partícula X são, respectivamente:
a) decaimento alfa, elétron
b) decaimento alfa, núcleo do átomo de hélio
c) decaimento beta, radiação eletromagnética
d) decaimento gama, radiação eletromagnética
e) decaimento alfa, próton
Resolução:
Como o número de massa do elemento urânio cai de 235 para 231, fica fácil perceber que o decaimento sofrido por esse elemento é o decaimento alfa. A partícula emitida, nesse caso, é um núcleo do átomo de hélio, também chamada de partícula alfa, composta por dois nêutrons e dois prótons:
3) O elemento bário-137 pode sofrer um decaimento como mostrado na reação abaixo:
O tipo de decaimento mostrado na reação acima e X são, respectivamente:
a) decaimento beta, ondas eletromagnéticas
b) decaimento alfa, núcleo do átomo de hélio
c) decaimento gama, radiação gama
d) decaimento alfa, elétrons
e) decaimento beta, pósitrons
Resolução:
De acordo com a reação mostrada acima, o elemento bário não sofre quaisquer mudanças em sua massa da carga nuclear. Portanto, o resultado desse decaimento é a emissão de ondas eletromagnéticas conhecidas como radiação gama:
4) Numa reação de fissão nuclear, 1 g de urânio é fissionado, liberando uma quantidade de energia equivalente a:
Dados:
c = 3,0.108 m/s
Resolução:
De acordo com a relação de Einstein, a quantidade de energia obtida no processo de fissão nuclear é equivalente à energia de repouso da matéria, que pode ser calculada por meio da seguinte equação:
Usando a massa que sofreu fissão em kg (1 g = 0,001 kg), teremos o seguinte cálculo:
Agora faça os exercícios.
Exercícios.
1) O processo de fissão nuclear é bastante utilizado na produção de energia elétrica em alguns países por produzir uma excelente quantidade de energia térmica. Porém, um grande malefício promovido pela fissão nuclear é a produção de lixo radioativo, que deve ser armazenado em local apropriado. Esse lixo geralmente é composto por elementos químicos formados durante o processo de fissão. Assim, qual dos processos abaixo representa um processo de produção de lixo radioativo, ou seja, uma fissão nuclear?
a) 7N14 + 1H1 → 6C12 + 2He4
b) 1H2 + 1H3 → 2He4 + 0n1
c) 6C14 → -1β0 + 7N14
d) 92U235 → 2α4 + 90Th231
e) 92U235 + 0n1 → 38Sr95 + 54Xe139 + 20n1
2) O programa nuclear do Irã tem chamado a atenção internacional em função das possíveis aplicações militares decorrentes do enriquecimento de urânio. Na natureza, o urânio ocorre em duas formas isotópicas, o U-235 e o U-238, cujas abundâncias são, respectivamente, 0,7% e 99,3%. O U-238 é radioativo. Considerando a equação abaixo, podemos afirmar a massa atômica (y) e o número atômico (x) do criptônio (Kr), são respectivamente:
92U235 + 0n1 → 56Ba140 + xKry + 30n1
a) 93 e 36
b) 36 e 93
c) 95 e 33
d) 33 e 95
e) 94 e 36
3) Calcule a energia liberada numa reação de fissão nuclear, sendo que 20 g de urânio 235 foram fissionados. Dado: c = 3.10⁸ m/s.
a) 6 . 10¹⁵ J
b) 1,2 . 10¹⁵ J
c) 1,8 . 10¹⁵ J
d) 1,5 . 10¹⁵ J
e) 1,6 . 10¹⁵ J
4) Analise os itens a seguir que fornecem informações a respeito das radiações nucleares.
I - As radiações gama são ondas eletromagnéticas de elevado poder de penetração.
II - O número atômico de um radionuclídeo que emite radiações alfa aumenta em duas unidades.
III - As radiações beta são idênticas aos elétrons e possuem carga elétrica negativa.
IV - O número de massa de um radionuclídeo que emite radiações beta não se altera.
V - As radiações gama possuem carga nuclear +2 e número de massa 4.
Estão corretas as afirmativas:
a) I, II, e III, apenas.
b) II, III e IV, apenas.
c) I, III e V, apenas.
d) I, III e IV, apenas.
e) II, IV e V, apenas.
5) Assinale a alternativa que preenche corretamente a lacuna do parágrafo abaixo.
O Sol é a grande fonte de energia para toda a vida na Terra. Durante muito tempo, a origem da energia irradiada pelo Sol foi um mistério pra a humanidade. Hoje, as modernas teorias de evolução das estrelas nos dizem que a energia irradiada pelo Sol provém de processos de _______ que ocorrem no seu interior, envolvendo núcleos de elementos leves.
a) espalhamento
b) fusão nuclear
c) fissão nuclear
d) fotossíntese
e) combustão
