Radioativo
é uma palavra que não é tão bem compreendida. Cheia de medo e inerentemente aparentando ser alienígena e perigosa, a natureza do decaimento radioativo é algo que vale a pena aprender sobre se você é um estudante de física ou apenas um leigo interessado.

A realidade é que a radioatividade descreve essencialmente reações nucleares que levam a uma alteração no número atômico de um elemento e /ou na liberação de radiação gama. É perigoso em grandes quantidades porque a radiação liberada é "ionizante" (ou seja, possui energia suficiente para remover elétrons dos átomos), mas é um fenômeno físico interessante e, na prática, a maioria das pessoas nunca estará em torno de materiais radioativos o suficiente para estar em risco .

Os núcleos podem atingir um estado de energia mais baixo por fusão - ou seja, quando dois núcleos se fundem para criar um núcleo mais pesado, liberando energia no processo - ou por fissão, que é a divisão de elementos pesados em elementos mais leves. . A fissão é a fonte de energia nos reatores nucleares, e também nas armas nucleares, e isso é em particular o que a maioria das pessoas imagina quando pensa em radioatividade. Mas na maioria das vezes, quando os núcleos mudam para um estado de energia mais baixo na natureza, isso se reduz ao decaimento radioativo.

Existem três tipos de decaimento radioativo: decaimento alfa, decaimento beta e decaimento gama, embora decaimento beta em em si vem em três tipos diferentes. Aprender sobre essas formas de decaimento nuclear é uma parte crucial de qualquer curso de física nuclear.
Decaimento alfa

Decaimento alfa ocorre quando um núcleo emite o que é chamado de "partícula alfa" (partícula α). Uma partícula alfa é uma combinação de dois prótons e dois nêutrons que, se você conhecer sua tabela periódica, reconhecerá como um núcleo de hélio.

O processo é bastante fácil de entender em termos de massa e propriedades de o átomo resultante: perde quatro do número de massa (dois dos prótons e dois dos elétrons) e dois do número atômico (dos dois prótons perdidos). Isso significa que o átomo original (ou seja, o núcleo "pai") se torna um elemento diferente (baseado no núcleo "filha") após sofrer decaimento alfa.

Ao calcular a energia liberada no decaimento alfa, você precisa subtrair a massa do núcleo de hélio e o átomo-filha da massa do átomo pai e convertê-lo em um valor de energia usando a famosa equação de Einstein E
\u003d mc
^{2) Geralmente, é mais fácil executar esse cálculo se você trabalha em unidades de massa atômica (amu) e multiplica a massa ausente pelo fator c
2 \u003d 931,494 MeV /amu. Isso retorna um valor de energia em MeV (ou seja, mega-elétron-volts), com um volton eletrônico igual a 1,602 × 10 - 9 joules e geralmente uma unidade mais conveniente para trabalhar em energias na escala atômica.
Deterioração beta: Deterioração beta mais (emissão de pósitrons)}

Como a deterioração beta tem três variedades diferentes, é útil aprender sobre cada uma delas, embora existam muitas semelhanças entre elas. O decaimento beta-plus é quando um próton se transforma em nêutron, com a liberação de uma partícula beta-plus (isto é, uma partícula β +) junto com uma partícula não carregada e quase sem massa chamada neutrino. Como resultado desse processo, o átomo filho terá um próton a menos e mais um nêutron que o átomo pai, mas o mesmo número de massa geral.

A partícula beta-plus é na verdade chamada de pósitron, que é a partícula antimatéria correspondente ao elétron. Tem uma carga positiva do mesmo tamanho que a carga negativa no elétron e a mesma massa que um elétron. O neutrino liberado é tecnicamente chamado de neutrino eletrônico. Observe que uma partícula de matéria regular e uma partícula de antimatéria são liberadas neste processo.

O cálculo da energia liberada nesse processo de decaimento é um pouco mais complicado do que em outras formas de decaimento, porque a massa do pai o átomo incluirá a massa de um elétron a mais que a massa do átomo-filha. Além disso, você também deve subtrair a massa da partícula β + emitida no processo. Essencialmente, você deve subtrair a massa da partícula filha e dois elétrons da massa da partícula pai, e depois converter em energia como antes. O neutrino é tão pequeno que pode ser negligenciado com segurança.
Decaimento beta: Decaimento beta-negativo

Decaimento beta-negativo é essencialmente o processo oposto do decaimento beta-plus, onde um nêutron se transforma em próton , liberando uma partícula beta-menos (uma partícula β) e um antineutrino de elétrons no processo. Devido a esse processo, o átomo-filha terá menos um nêutron e mais um próton que o átomo-pai.

A partícula β é na verdade um elétron, mas tem um nome diferente nesse contexto porque quando o beta a emissão do decaimento foi descoberta pela primeira vez, ninguém sabia qual era a partícula. Além disso, chamá-los de partículas beta é útil porque lembra que é proveniente do processo de decaimento beta e pode ser útil quando você está tentando lembrar o que acontece em cada um - a partícula beta positiva é liberada no decaimento beta-plus e a partícula beta negativa é liberada em decaimento beta-menos. Nesse caso, porém, o neutrino é uma partícula de antimatéria, mas novamente uma antimatéria e uma partícula de matéria regular são liberadas no processo.

O cálculo da energia liberada nesse tipo de decaimento beta é um pouco mais simples, porque o elétron extra possuído pelo átomo-filha é cancelado com o elétron perdido na emissão beta. Isso significa que, para calcular em m
, basta subtrair a massa do átomo-filha da massa do átomo pai e depois multiplicar pela velocidade da luz ao quadrado ( c
^{2 ), como antes, expresso em mega-elétron-volts por unidade de massa atômica.
Decaimento beta - Captura de elétrons}

O último tipo de decaimento beta é bem diferente dos dois primeiros. Na captura de elétrons, um próton "absorve" um elétron e se transforma em nêutron, com a liberação de um nêutron eletrônico. Portanto, reduz o número atômico (isto é, o número de prótons) em um e aumenta o número de nêutrons em um.

Isso pode parecer que viola o padrão até agora, com uma matéria e uma partícula de antimatéria sendo emitido, mas fornece uma dica sobre o motivo real desse equilíbrio. O "número de lepton" (que você pode considerar um número de "família de elétrons") é conservado e um nêutron de elétrons ou elétrons tem um número de lepton de 1, enquanto o pósitron ou antineutrino de elétrons tem um número de lepton de −1.

Você deve conseguir ver que todos os outros processos cumprem isso facilmente. Para captura de elétrons, o número de lepton diminui em 1 quando o elétron é capturado; portanto, para equilibrar isso, uma partícula com um número de lepton de 1 deve ser emitida.

Calcular a energia liberada na captura de elétrons é bastante simples : Como o elétron vem do átomo pai, você não precisa se preocupar em explicar a diferença no número de elétrons entre os átomos pai e filha. Você encontra em m
subtraindo simplesmente a massa do átomo filho da massa do átomo pai. A expressão para o processo geralmente será escrita com o elétron no lado esquerdo, mas a regra simples lembra que isso realmente faz parte do átomo pai em termos de massa.
Decaimento Gama

O decaimento gama envolve a emissão de um fóton de alta energia (radiação eletromagnética), mas o número de prótons e nêutrons no átomo não muda como resultado do processo. É análogo à emissão de um fóton quando um elétron passa de um estado de energia mais alto para um estado de energia mais baixo, mas a transição nesse caso ocorre no núcleo do átomo.

Assim como na situação análoga , a transição de um estado de energia mais alto para um estado de mais baixa energia é equilibrada pela emissão de um fóton. Elas têm energia acima de 10 keV e são geralmente chamadas de raios gama, embora a definição não seja realmente rigorosa (a faixa de energia se sobrepõe aos raios X, por exemplo).

As emissões alfa ou beta podem deixar um núcleo em um estado excitado de energia mais alta e a energia liberada como resultado desses processos são feitas na forma de raios gama. No entanto, o núcleo também pode terminar em um estado de energia mais alta após colidir com outro núcleo ou ser atingido por um nêutron. O resultado em todos os casos é o mesmo: o núcleo cai de seu estado excitado para um estado de energia mais baixo e libera raios gama no processo.
Exemplos de decaimento radioativo - urânio

O urânio 238 decai no tório -234 com a liberação de uma partícula alfa (isto é, um núcleo de hélio), e este é um dos exemplos mais conhecidos de decaimento radioativo. O processo pode ser representado como:
^ {238} \\ text {U} \\ to \\; ^ {234} \\ text {Th} + \\; ^ 4 \\ text {He}

Para calcular como Como muita energia é liberada nesse processo, você precisará das massas atômicas: 238U \u003d 238.05079 amu, 234Th \u003d 234.04363 amu e 4He \u003d 4.00260 amu, com todas as massas expressas em unidades de massa atômica . Agora, para descobrir quanta energia é liberada no processo, tudo o que você precisa fazer é encontrar em m
subtraindo as massas dos produtos da massa do átomo pai original e calculando a quantidade de energia que isso representa.
\\ begin {alinhado} &m &\u003d \\ text {(massa dos pais)} - \\ text {(massa de produtos)} \\\\ &\u003d 238.05079 \\ text {amu} - 234.04363 \\ text { amu} - 4.00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0,00456 \\ text {amu} \\\\ E &\u003d ∆mc ^ 2 \\\\ &\u003d 0,00456 \\ text {amu} × 931,494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 4.25 \\ text {MeV} \\ end {alinhado} Exemplo de decaimento radioativo em várias etapas

O decaimento radioativo geralmente ocorre em cadeias, com vários passos entre o ponto inicial e o ponto final. Essas cadeias de decaimento são longas e exigiriam muitas etapas para calcular quanta energia é liberada em todo o processo, mas pegar um pedaço de uma dessas cadeias ilustra a abordagem.

Se você observar a cadeia de decaimento do tório, 232, próximo ao fim da cadeia, um núcleo instável (isto é, um átomo de um isótopo instável, com uma meia-vida curta) de bismuto-212 sofre decaimento beta-menos no polônio-212, que então sofre decaimento alfa Você pode calcular a energia liberada nesse processo, passo a passo.

Primeiro, o decaimento beta-menos do bismuto-212 ( m
\u003d 211.99129 amu) para o polônio-212 ( m
\u003d 211.98887 amu) fornece:
\\ begin {alinhado} &m &\u003d \\ text {(massa do pai)} - \\ text {(massa da filha)} \\\\ &\u003d 211.99129 \\ texto {amu} - 211.98887 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0,00242 \\ text {amu} \\ end {alinhado}

Lembrando que a alteração nos números de elétrons é cancelada no decaimento beta-menos. Que libera:
\\ begin {alinhado} E &\u003d cmc ^ 2 \\\\ &\u003d 0,00242 \\ text {amu} × 931,494 \\ text {MeV /amu} \\\\ &\u003d 2,25 \\ text {MeV} \\ end { alinhado}

O estágio seguinte é o decaimento alfa do polônio-212 para o chumbo-208 ( m
\u003d 207.97665 amu) e um núcleo de hélio.
\\ begin {alinhado} &m &\u003d \\ texto {(massa dos pais)} - \\ texto {(massa de produtos)} \\\\ &\u003d 211.98887 \\ text {amu} - 207,97665 \\ text {amu} - 4,00260 \\ text {amu} \\\\ &\u003d 0,00962 \\ text { amu} \\ end {alinhado}

E a energia é:
\\ begin {alinhado} E &\u003d cmc ^ 2 \\\\ &\u003d 0,00962 \\ text {amu} × 931,494 \\ text {MeV /amu} \\ \\ &\u003d 8,96 \\ text {MeV} \\ end {alinhado}

No total, existem 2,25 MeV + 8,96 MeV \u003d 11,21 MeV de energia liberada no processo. Obviamente, se você for cuidadoso (incluindo a partícula alfa e elétrons adicionais se o seu processo incluir um decaimento beta-plus), poderá calcular a diferença de massa em uma única etapa e depois converter, mas essa abordagem informa a energia liberada em cada estágio.